WO2006114078A1 - Stabilisation of the emission wavelength of a wide-band laser diode - Google Patents

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WO2006114078A1
WO2006114078A1 PCT/DE2006/000662 DE2006000662W WO2006114078A1 WO 2006114078 A1 WO2006114078 A1 WO 2006114078A1 DE 2006000662 W DE2006000662 W DE 2006000662W WO 2006114078 A1 WO2006114078 A1 WO 2006114078A1
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fiber
wavelength
arrangement according
selective reflector
laser diode
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Karl Eberl
Nils Kirstaedter
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Lumics Gmbh
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    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2036—Broad area lasers

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for stabilizing the emission wavelength of a laser diode according to the features of patent claim 1.
  • Such high-power diode lasers are usually constructed as edge-emitting wide-band laser diodes.
  • Fig. 1 such a broad-band laser diode and its emission characteristic is shown schematically.
  • the amplifier medium that is to say the active semiconductor layer in which the laser radiation is generated, is limited spatially by a waveguide structure. In the transverse direction, the boundary is determined by the pn junction, while the boundary in the lateral direction is determined by the established width of the active layer and / or by the width of the surface-side electrode layer (stripe width).
  • the laser can only oscillate in a lateral fundamental mode, so that such a laser is referred to as a single-mode laser.
  • the achievable for such a single-mode laser optical output power is limited to a few 100 mW.
  • the laser is broadened in the lateral direction, the output power can be increased. However, this is achieved with a laterally multi-mode radiation of the diode laser, as shown in FIG.
  • the so-called broad-band laser diodes have emitter widths of typically 10 to 500 ⁇ m and achieve output powers of 1 to 10 W.
  • the emission wavelength of laser diodes is known to vary with the output power of the emission radiation and the temperature of the chip.
  • the document EP 1 145 392 B1 describes a semiconductor light source with a semiconductor gain element having a first end and an output end and a gain region whose width is greater at the output end than at the first end, so that only one lateral propagation mode, viz the lateral fundamental mode is emitted.
  • the semiconductor light source is coupled to a single-mode optical fiber including a wavelength-selective fiber Bragg grating reflector to provide reflectivity at a wavelength included in the gain region of the semiconductor light source.
  • the wavelength-selective reflector is arranged at a distance from the semiconductor gain element that is greater than the coherence length of the laser radiation, so that the semiconductor light source is operated in a regime outside the so-called coherence collapse.
  • Document EP 1 241 751 B1 describes a light source comprising a semiconductor laser comprising a laterally confining optical waveguide having a reflective first end and a second end, the optical waveguide having first, second and third portions and the first portion has a width such that only one optical lateral fundamental mode is emitted and higher lateral optical modes are filtered.
  • the output radiation of the semiconductor laser is transmitted to an optical system containing a wavelength-selective reflector. coupled single-mode optical fiber, wherein the wavelength-selective reflector is spaced by a distance greater than the coherence length of the semiconductor laser.
  • An essential aspect of the present invention lies in the coupling of the laser diode to be stabilized with a
  • the laser diode is in particular as an edge-emitting
  • Laser diode formed wherein the lateral width of the active layer is preferably in a range of 10 .mu.m to 500 .mu.m, so that the laser diode can be referred to as wide-band laser diode. With such strip widths, the emission of several lateral propagation modes can be expected.
  • the wavelength-selective reflector is used to set a desired emission wavelength and for this purpose has an optical reflectivity in a wavelength range which lies within the gain range of the laser diode.
  • the reflectivity of the wavelength-selective reflector may, in particular a pronounced maximum exhibit at a desired emission wavelength, so that "by feedback of light reflected at the wavelength selective reflector emission radiation in the laser diode it is adjusted to the desired emission wavelength and stabilized.
  • the wavelength-selective reflector is arranged at a distance from the laser diode which is greater than the coherence length of the laser radiation. Rather, this distance does not play a significant role for the present invention.
  • this distance is less than the coherence length, ie in particular less than 1 m. It is particularly advantageous if the distance is only a few millimeters in order to avoid instabilities due to the fiber movement.
  • the distance may be, for example, less than 50 mm, in particular less than 20 mm, in particular less than 10 mm, in particular less than 5 mm, in particular 1-2 mm.
  • the distance refers to the propagation path of the radiation emitted by the laser diode radiation from the exit surface of the laser diode to the wavelength-selective reflector.
  • the wavelength-selective reflector may be a fiber Bragg grating (FBG), which is embossed or inscribed in a known manner in the core of the optical fiber at a defined position.
  • FBG fiber Bragg grating
  • the wavelength-selective reflector may also be another type of reflector, e.g. a dielectric coating applied to the entrance surface of the optical fiber.
  • the optical fiber is formed as a continuous multimode fiber.
  • the wavelength-selective reflector is a fiber Bragg grating, in this embodiment it extends over the entire diameter or a part of the diameter of the fiber core of the multimode fiber.
  • the reflectivity of the fiber Bragg gratings are preferably in the range 0.5-50% at the desired emission wavelength of the device.
  • the optical fiber contains at its front end, ie the light entry end, a piece of a first fiber and a second fiber adjacent thereto, which is formed as a multi-mode fiber, wherein the wavelength-selective reflector is disposed within the first fiber.
  • the core of the first fiber has a smaller diameter than the core of the second fiber.
  • the first fiber may also be formed as a multi-mode fiber or alternatively as a single-mode fiber.
  • the length of the first fiber is preferably 1-5 mm. If a fiber Bragg grating is used as the wavelength-selective reflector, this preferably has a reflectivity of 5-100% at the desired emission wavelength of the arrangement.
  • the optical fiber is formed as a double-clad multimode fiber and has an inner core, a first cladding surrounding the inner core, and a second cladding surrounding the first cladding, the refractive indices of the inner core and the second cladding remove first and second sheaths from inside to outside.
  • the inner core preferably has a diameter of 3 - 20 microns. If a fiber Bragg grating is used as the wavelength-selective reflector, then this preferably has a reflectivity of 5-100% at the desired emission wavelength of the arrangement.
  • the optical fiber is constructed as a multimode fiber and has at one position a dielectric coating as a wavelength-selective reflector.
  • a first multimode fiber may serve as a launching fiber and the dielectric coating may be applied to a second multimode fiber at one End applied, and the two multimode fibers can be interconnected by butt coupling.
  • the optical fiber is designed as a multimode fiber and contains a fiber coupler having two fiber outputs.
  • a first fiber output serves to decouple the wavelength-stabilized output light into a multimode fiber, while a second fiber output is connected to a multimode fiber, at the end of which a dielectric coating is applied as a wavelength-selective reflector.
  • the optical fiber is designed as a multimode fiber and has at one position a periodic modulation, in particular a periodic trench structure formed in the inner core as a wavelength-selective reflector.
  • FIG. 2A shows a first embodiment of an inventive arrangement with a continuous multimode fiber.
  • FIG. 2B shows a second embodiment of an arrangement according to the invention with a first fiber and a second fiber (multimode fiber) adjoining thereto;
  • 2C shows a third embodiment of an arrangement according to the invention with a double-jacket multimode fiber
  • 2D shows a fourth exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with two multimode fiber sections and a dielectric layer as the wavelength-selective reflector
  • 2E shows a fifth exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with a multimode fiber, a multimode fiber coupler and a dielectric layer as the wavelength-selective reflector;
  • 2F shows a sixth embodiment of an inventive arrangement with a multi-mode fiber and a periodic modulation as a wavelength-selective reflector.
  • FIG. 2A shows a first exemplary embodiment of the arrangement according to the invention in a schematic illustration.
  • An edge-emitting laser diode 10 is designed as a so-called wide-band laser diode and consequently has a width of the active layer in a range of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m in a direction lateral to the emission direction. It emits a radiation beam 15 which is to be set to a desired emission wavelength and stabilized.
  • an optical fiber 20 is arranged, which is formed in the present embodiment as a continuous multimode fiber.
  • the optical fiber 20 has an inner core 20.1 and a jacket 20.2 enclosing the inner core 20.1.
  • a fiber Bragg grating (FBG) is inscribed or embossed over the entire diameter of the inner core 20. 1 in a manner known per se.
  • the FBG has a reflection characteristic in which a pronounced reflection maximum at the desired emission wavelength is present.
  • the FBG 21 reflects a portion of the laser light back into the laser diode at this predetermined emission wavelength so that the operation of the laser diode is adjusted and stabilized to the emission wavelength defined by the FBG 21.
  • the reflectivity of the FBG 21 is in the range between 0.5% and 50%.
  • the FBG 21 is impressed near the light entry end of the optical fiber 20 into the inner core 20.1.
  • the distance between the FBG 21 and the light exit surface of the laser diode 10 is preferably only a few millimeters in order to avoid instabilities caused by the fiber movement.
  • the distance may be, for example, 10 mm or less. In particular, the distance may be 5 mm or less, with a particularly preferred value for the distance being 1 to 2 mm.
  • the optical fiber 20 may be surrounded by an outer sheath 26 spaced longitudinally of the fiber from the light entry end.
  • the emission radiation 25 stabilized at the desired emission wavelength can be taken from the laser diode 10.
  • FIG. 2B schematically illustrates a second exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode.
  • the optical fiber 30 is composed of two different fiber sections.
  • a first fiber 32 In the front area on the input side there is a short piece of a first fiber 32, which contains the light entry end.
  • the first fiber 32 has an inner core 32.1 and an outer jacket 32.2.
  • a fiber Bragg grating (FBG) 31 is embossed.
  • the first fiber 32 has a length of 1-5 mm.
  • the inner core 32. 1 of the first fiber 32 has a smaller diameter than the inner core 33. 1 of the multimode fiber 33.
  • the first fiber 32 may also be formed as a multi-mode fiber or alternatively as a single-mode fiber.
  • the multimode fiber 33 is surrounded by an outer cladding 36 starting at a distance from the boundary between the first fiber 32 and the multimode fiber 33. The essential part of the light emitted by the laser diode 10 is guided via the inner core 32. 1 and the jacket 32. 2 of the first fiber 32 into the multimode fiber 33.
  • the first fiber 32 Due to its short length, the first fiber 32 is able to guide the various lateral propagation modes of the laser diode 10 as far as the multimode fiber 33, since the emission light of the laser diode 10 is also guided in the cladding 32.2, so that due to the short length the first fiber 32, the losses can be accepted. It may further be provided that the light entry end of the first fiber 32 is ground in the form of a lens.
  • the second embodiment according to FIG. 2B has the advantage over the first embodiment of FIG. 2A that it is easier to inscribe the FBG 31 into the inner core 32. 1 of the first fiber 32. In the first embodiment of Fig. 2A, it is more difficult to write the FBG 32 over the entire diameter of the inner core 20.1 of the multimode fiber 20.
  • the laser radiation 35 emerging from the optical fiber 30 has a constant wavelength.
  • FIG. 2C A third embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode 10 is shown in FIG. 2C.
  • the optical fiber 40 is formed as a double-clad fiber.
  • the inner core 42 of the optical fiber 40 preferably has a very small diameter of about 3 - 20 microns on.
  • the FBG 41 is inscribed. With respect to the distance of the FBG 41 from the light exit surface of the laser diode 10 and the distance from the light entrance surface of the optical fiber 40, the said to the first embodiment applies.
  • the inner core 42 is surrounded by a first cladding 43 having a lower refractive index than the inner core 42.
  • the first jacket 43 is surrounded by a second jacket 44, which has a lower refractive index than the first jacket 43.
  • the second cladding 44 is surrounded by an outer cladding or buffer layer 46 starting at a distance from the light entry end of the optical fiber 40 and having a lower refractive index than the second cladding 44.
  • the FBG 41 has a reflectivity of 5 - 100% at the desired emission wavelength.
  • the optical fiber 40 is adjusted relative to the laser diode 10 such that the substantial portion of the emitted light is coupled into the inner, first cladding 43 of the optical fiber 40. A relatively small portion of the light is also coupled into the inner core 42 of the double cladding fiber. A substantial portion of the light coupled into the inner core 42 of the optical fiber 40 is fed back into the laser diode 10 by the FBG 41. As in the previous embodiments, this results in the broad-band laser diode being adjusted and stabilized at the wavelength defined by the FBG 41.
  • the output light 45 removable from the optical fiber 40 thus has a stable wavelength.
  • FIG. 2D A fourth embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode 10 is shown in FIG. 2D.
  • the optical fiber 50 is composed of two fiber sections, namely a first multimode fiber 52, which has an inner core 52.1 and an outer shell 52.2 surrounding the inner core 52.1 and in which the Emission radiation 15 of the laser diode 10 is coupled, and a second multimode fiber 53, which also has an inner core 53.1 and the inner core 53.1 enclosing the outer jacket 53.2.
  • the second multimode fiber 53 is connected to the first multimode fiber 52 by butt coupling.
  • the second multimode fiber 53 is provided at its end facing the first multimode fiber 52 with a dielectric coating 51, which assumes the role of the wavelength-selective reflector in the present embodiment.
  • the dielectric coating 51 may be constructed of a number of layers of alternating high and low refractive indices, thus providing a reflection spectrum with a defined narrow-band reflection at a desired emission wavelength. A relatively small proportion of
  • Emission radiation of the laser diode 10 is fed back into the laser diode at the wavelength determined by the dielectric coating 51. This again causes the laser diode 10 to be adjusted and stabilized at the wavelength defined by the dielectric coating 51, so that the output radiation 55 extracted from the second multimode fiber 53 has a stable wavelength.
  • the optical fiber 50 may also be surrounded by an outer sheath 56 starting at a distance from the light entry end of the first multimode fiber 52.
  • the distance of the dielectric coating 51 from the light exit surface of the laser diode 10 is preferably in the range of a few millimeters, for example less than 20 mm or less than 10 mm.
  • the optical fiber 60 comprises a first multimode fiber 62 which includes an inner core 62.1 and an outer jacket 62.2 surrounding the inner core 62.1.
  • the first multimode fiber 62 is starting at a distance from the Light entrance end of the first multimode fiber 62 surrounded by an outer sheath 66.
  • a multimode fiber coupler 61 is connected, through which the radiation coupled from the first multimode fiber 62 to a relatively large proportion, for example 95%, in a serving as an output fiber second multimode fiber 61.1 and coupled into a relatively small proportion, for example 5%, in a third multimode fiber 61.2.
  • the third multimode fiber 61.2 is provided at its outer end with a highly reflective dielectric coating 61.3, is fed back by the light of the desired emission wavelength in the laser diode 10. This in turn causes the laser diode 10 to be adjusted and stabilized at the wavelength set by the dielectric coating 61.3, so that the output radiation 65 has a stable wavelength.
  • FIG. 2F A sixth embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode 10 is shown in FIG. 2F.
  • the optical fiber 70 is formed as a multi-mode fiber 72 having an inner core 72.1 and an outer shell 72.2 surrounding the inner core 72.1.
  • the multimode fiber 72 is surrounded by an outer envelope 76 at a distance from its light entry end.
  • the wavelength-selective reflector 71 is formed in this embodiment by a wavelength-selective reflective periodic modulation on or near the interface between the core 72.1 and the cladding 72.2.
  • This periodic modulation may be a periodic deformation or other modulation produced by lithographic writing or mechanical introduction of trenches into the inner core 72.1, which results in a local periodic modulation of the refractive index in the multi-mode fiber 72.
  • the trenches are shown in cross-section in FIG. 2F and extend circumferentially about the inner core 72.1.
  • This periodic modulation 71 is spectral selectively and over the period of the modulation, the desired emission wavelength can be defined.
  • the light reflected back at the periodic modulation 71 can thus be used again for setting and stabilizing the emission wavelength of the laser diode 10 so that the output radiation 75 has a constant wavelength.
  • the distance of the periodic modulation 71 from the light exit surface of the laser diode 10 is preferably in the range of a few millimeters, for example less than 20 mm or less than 10 mm.
  • the arrangement according to the invention is particularly suitable for applications as pump lasers in fiber amplifiers such as Erbium doped fiber amplifiers and in fiber lasers.

Abstract

The invention relates to a laser diode (10) coupled to an optical wave guide (20; 30; 40) containing a wavelength-selective reflector (21; 31; 41) and embodied at least in sections as a multimode fibre. In a first form of embodiment, the optical wave guide (20; 30; 40) can be embodied as a continuous multimode fibre (20). In a second form of embodiment, the optical wave guide (30) can contain a short piece of a first fibre (32) on the input side, adjacent to a multimode fibre (33). In a third form of embodiment, the optical wave guide (40) is embodied as a double-sheath fibre. In a fourth form of embodiment, the wavelength-selective reflector (51) forms a dielectric coating. In a fifth form of embodiment, the wavelength-selective reflector comprises a fibre coupler (61), two multimode fibres (61.1, 61.2), and a highly-reflective coating (61.3) connected to one of said two fibres. In a sixth form of embodiment, the wavelength-selective reflector is formed by a periodical deformation of the multimode fibre (70).

Description

Beschreibungdescription
Stabilisierung der Emissions-Wellenlänge einer Breitstreifen- LaserdiodeStabilization of the emission wavelength of a broadband laser diode
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stabilisierung der Emissions-Wellenlänge einer Laserdiode nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The present invention relates to an arrangement for stabilizing the emission wavelength of a laser diode according to the features of patent claim 1.
Es besteht ein zunehmender Bedarf an Hochleistungs-Halblei- terlasern, beispielsweise für das optische Pumpen von Faserverstärkern und Faserlasern. Derartige Hochleistungs-Dioden- laser sind üblicherweise als kantenemittierende Breitstreifen-Laserdioden aufgebaut. In der Fig. 1 ist eine derartige Breitstreifen-Laserdiode und ihre Abstrahlcharakteristik schematisch dargestellt. Das Verstärkermedium, also die aktive Halbleiterschicht in welcher die Laserstrahlung erzeugt wird, wird räumlich durch eine Wellenleiterstruktur begrenzt. In der transversalen Richtung wird die Begrenzung durch den p-n-Übergang bestimmt, während die Begrenzung in der lateralen Richtung durch die hergestellte Breite der aktiven Schicht und/oder durch die Breite der oberflächenseitigen Elektrodenschicht (Streifenbreite) bestimmt wird. Wenn die lateralen Dimensionen des Lasers nur wenige Mikrometer betra- gen, kann der Laser nur in einem lateralen Grundmode anschwingen, sodass ein derartiger Laser als Monomode-Laser bezeichnet wird. Die für einen derartigen Monomode-Laser erreichbare optische Ausgangsleistung ist auf einige 100 mW beschränkt. Wird dagegen der Laser in der lateralen Richtung verbreitert, so kann die Ausgangsleistung gesteigert werden. Dies wird allerdings mit einer lateral mehrmodigen Abstrahlung des Diodenlaser erkauft, wie in der Fig. 1 dargestellt ist. Die sogenannten Breitstreifen-Laserdioden weisen Emitterbreiten von typisch 10 - 500 μm auf und erreichen Aus- gangsleistungen von 1 - 10 W. Die Eraissions-Wellenlänge von Laserdioden variiert bekanntermaßen mit der Ausgangsleistung der Emissionsstrahlung und der Temperatur des Chips. Diese Effekte sind bei Breitstreifen- Laserdioden mit hoher Leistung von über 1 W besonders, stark ausgeprägt und können zu Wellenlängenverschiebungen von mehr als 10 nm führen. Viele Anwendungen von Breitstreifen- Laserdioden, insbesondere das bereits eingangs erwähnte Pumpen von Faserverstärkern und Faserlasern, benötigen aber häufig eine stabile Wellenlänge.There is an increasing demand for high-power semiconductor lasers, for example for the optical pumping of fiber amplifiers and fiber lasers. Such high-power diode lasers are usually constructed as edge-emitting wide-band laser diodes. In Fig. 1, such a broad-band laser diode and its emission characteristic is shown schematically. The amplifier medium, that is to say the active semiconductor layer in which the laser radiation is generated, is limited spatially by a waveguide structure. In the transverse direction, the boundary is determined by the pn junction, while the boundary in the lateral direction is determined by the established width of the active layer and / or by the width of the surface-side electrode layer (stripe width). If the lateral dimensions of the laser are only a few micrometers, the laser can only oscillate in a lateral fundamental mode, so that such a laser is referred to as a single-mode laser. The achievable for such a single-mode laser optical output power is limited to a few 100 mW. On the other hand, if the laser is broadened in the lateral direction, the output power can be increased. However, this is achieved with a laterally multi-mode radiation of the diode laser, as shown in FIG. The so-called broad-band laser diodes have emitter widths of typically 10 to 500 μm and achieve output powers of 1 to 10 W. The emission wavelength of laser diodes is known to vary with the output power of the emission radiation and the temperature of the chip. These effects are particularly pronounced for wide-band, high-power laser diodes of over 1 W and can lead to wavelength shifts of more than 10 nm. However, many applications of broadband laser diodes, in particular the already mentioned pumping of fiber amplifiers and fiber lasers, often require a stable wavelength.
Die Druckschrift EP 1 145 392 Bl beschreibt eine Halbleiter- Lichtquelle mit einem Halbleiter-Verstärkungselement mit einem ersten Ende und einem Ausgangsende und einem Verstärkungsbereich, dessen Weite an dem Ausgangsende größer ist als an dem ersten Ende, sodass nur ein lateraler Ausbreitungsmo- dus, nämlich der laterale Grundmode emittiert wird. Die Halbleiter-Lichtquelle ist mit einer optischen Monomode-Lichtleitfaser gekoppelt, die einen wellenlängen-selektiven Reflektor in Form eines Faser-Bragg-Gitters enthält, um ein Re- flexionsvermögen bei einer Wellenlänge bereitzustellen, die im Verstärkungsbereich der Halbleiter-Lichtquelle enthalten ist. Der wellenlängen-selektive Reflektor ist in einem Abstand von dem Halbleiter-Verstärkungselement angeordnet, der größer ist als die Kohärenzlänge der Laserstrahlung,, sodass die Halbleiter-Lichtquelle in einem Regime außerhalb des sogenannten Kohärenzkollaps betrieben wird.The document EP 1 145 392 B1 describes a semiconductor light source with a semiconductor gain element having a first end and an output end and a gain region whose width is greater at the output end than at the first end, so that only one lateral propagation mode, viz the lateral fundamental mode is emitted. The semiconductor light source is coupled to a single-mode optical fiber including a wavelength-selective fiber Bragg grating reflector to provide reflectivity at a wavelength included in the gain region of the semiconductor light source. The wavelength-selective reflector is arranged at a distance from the semiconductor gain element that is greater than the coherence length of the laser radiation, so that the semiconductor light source is operated in a regime outside the so-called coherence collapse.
Die Druckschrift EP 1 241 751 Bl beschreibt eine Lichtquelle, die einen Halbleiter-Laser umfasst, der einen seitlich be- grenzenden optischen Wellenleiter mit einem reflektierenden ersten Ende und einem zweiten Ende umfasst, wobei der optische Wellenleiter einen ersten, einen zweiten und einen dritten Abschnitt aufweist und der erste Abschnitt eine derartige Weite aufweist, dass nur ein optischer lateraler Grundmode emittiert wird und höhere optische Lateralmoden gefiltert werden. Die Ausgangsstrahlung des Halbleiter-Lasers wird in eine einen wellenlängen-selektiven Reflektor enthaltende op- tische Monomode-Lichtleitfaser eingekoppelt, wobei der wel- lenlängen-selektive Reflektor um einen Abstand größer als die Kohärenzlänge von dem Halbleiter-Laser beabstandet ist.Document EP 1 241 751 B1 describes a light source comprising a semiconductor laser comprising a laterally confining optical waveguide having a reflective first end and a second end, the optical waveguide having first, second and third portions and the first portion has a width such that only one optical lateral fundamental mode is emitted and higher lateral optical modes are filtered. The output radiation of the semiconductor laser is transmitted to an optical system containing a wavelength-selective reflector. coupled single-mode optical fiber, wherein the wavelength-selective reflector is spaced by a distance greater than the coherence length of the semiconductor laser.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Stabilisierung der Ξmissionswellenlänge einer Laserdiode, insbesondere einer mehrere laterale Ausbreitungs-Moden emittierenden Breitstreifen-Laserdiode, anzugeben.It is an object of the present invention to provide an arrangement for stabilizing the emission wavelength of a laser diode, in particular a wide-band laser diode emitting several lateral propagation modes.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie verschiedene Aus- führungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is solved by the features of patent claim 1. Advantageous developments and various embodiments are specified in the subclaims.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Kopplung der zu stabilisierenden Laserdiode mit einerAn essential aspect of the present invention lies in the coupling of the laser diode to be stabilized with a
Lichtleitfaser, die einen wellenlängen-selektiven Reflektor enthält und mindestens abschnittsweise als Multi-Mode-Faser ausgebildet ist.Optical fiber containing a wavelength-selective reflector and is at least partially formed as a multi-mode fiber.
Die Laserdiode ist insbesondere als eine kantenemittierendeThe laser diode is in particular as an edge-emitting
Laserdiode ausgebildet, wobei die laterale Breite der aktiven Schicht vorzugsweise in einem Bereich von 10 μm bis 500 μm liegt, sodass die Laserdiode als Breitstreifen-Laserdiode bezeichnet werden kann. Bei derartigen Streifenbreiten ist mit der Emission mehrerer lateraler Ausbreitungsmoden zu rechnen.Laser diode formed, wherein the lateral width of the active layer is preferably in a range of 10 .mu.m to 500 .mu.m, so that the laser diode can be referred to as wide-band laser diode. With such strip widths, the emission of several lateral propagation modes can be expected.
Der wellenlängen-selektive Reflektor dient zur Einstellung einer gewünschten Emissionswellenlänge und weist zu diesem Zweck ein optisches Reflexionsvermögen in einem Wellenlängen- bereich auf, der innerhalb des Verstärkungsbereichs der Laserdiode liegt. Das Reflexionsvermögen des wellenlängenselektiven Reflektors kann insbesondere ein ausgeprägtes Maximum bei einer gewünschten Emissionswellenlänge aufweisen, sodass' durch Rückkopplung der an dem wellenlängen-selektiven Reflektor reflektierten Emissionsstrahlung in die Laserdiode diese auf die gewünschte Emissionswellenlänge eingestellt und stabilisiert wird. Es ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung insbesondere nicht notwendig, dass der wellenlängen-selektive Reflektor in einem Abstand von der Laserdiode angeordnet ist, der großer als die Kohärenzlänge der Laserstrahlung ist. Für die vorliegende Erfindung spielt dieser Abstand vielmehr keine wesentliche Rolle. Es ist eher von Vorteil, wenn dieser Abstand geringer als die Kohärenzlänge, also insbesondere geringer als 1 m ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand lediglich we~ nige Millimeter beträgt, um Instabilitäten durch die Faserbewegung zu vermeiden. Der Abstand kann beispielsweise kleiner als 50 mm, insbesondere kleiner als 20 mm, insbesondere kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm, insbesondere 1 - 2 mm betragen. Der Abstand bezieht sich dabei auf den Ausbreitungspfad der von der Laserdiode emittierten Strahlung von der Austrittsfläche der Laserdiode zu dem wellenlängenselektiven Reflektor.The wavelength-selective reflector is used to set a desired emission wavelength and for this purpose has an optical reflectivity in a wavelength range which lies within the gain range of the laser diode. The reflectivity of the wavelength-selective reflector may, in particular a pronounced maximum exhibit at a desired emission wavelength, so that "by feedback of light reflected at the wavelength selective reflector emission radiation in the laser diode it is adjusted to the desired emission wavelength and stabilized. In particular, it is not necessary in the arrangement according to the invention that the wavelength-selective reflector is arranged at a distance from the laser diode which is greater than the coherence length of the laser radiation. Rather, this distance does not play a significant role for the present invention. It is more advantageous if this distance is less than the coherence length, ie in particular less than 1 m. It is particularly advantageous if the distance is only a few millimeters in order to avoid instabilities due to the fiber movement. The distance may be, for example, less than 50 mm, in particular less than 20 mm, in particular less than 10 mm, in particular less than 5 mm, in particular 1-2 mm. The distance refers to the propagation path of the radiation emitted by the laser diode radiation from the exit surface of the laser diode to the wavelength-selective reflector.
Der wellenlängen-selektive Reflektor kann ein Faser-Bragg- Gitter (FBG) sein, welches in an sich bekannter Weise in den Kern der Lichtleitfaser an einer definierten Position eingeprägt oder eingeschrieben wird. Der wellenlängen-selektive Reflektor kann jedoch auch eine andere Art Reflektor sein, z.B. eine dielektrische Beschichtung, die auf der Eintritts- fläche der Lichtleitfaser aufgebracht ist.The wavelength-selective reflector may be a fiber Bragg grating (FBG), which is embossed or inscribed in a known manner in the core of the optical fiber at a defined position. However, the wavelength-selective reflector may also be another type of reflector, e.g. a dielectric coating applied to the entrance surface of the optical fiber.
Für die erfindungsgemäße Anordnung gibt es verschiedene Ausführungsformen, die sich in der Ausgestaltung der Lichtleitfaser voneinander unterscheiden.For the arrangement according to the invention, there are various embodiments which differ from one another in the design of the optical fiber.
In einer ersten Ausführungsform ist die Lichtleitfaser als durchgängige Multimode-Faser ausgebildet. Falls der wellenlängen-selektive Reflektor ein Faser-Bragg-Gitter ist, so erstreckt sich dieses bei dieser Ausführungsform über den ge- samten Durchmesser oder einen Teil des Durchmessers des Faserkerns der Multimode-Faser. Die Reflektivität des Faser- Bragg-Gitters liegt vorzugsweise im Bereich 0,5 - 50% bei der gewünschten Emissionswellenlänge der Anordnung.In a first embodiment, the optical fiber is formed as a continuous multimode fiber. If the wavelength-selective reflector is a fiber Bragg grating, in this embodiment it extends over the entire diameter or a part of the diameter of the fiber core of the multimode fiber. The reflectivity of the fiber Bragg gratings are preferably in the range 0.5-50% at the desired emission wavelength of the device.
In einer zweiten Ausführungsform enthält die Lichtleitfaser an ihrem vorderen Ende, also dem Lichteintrittsende, ein Stück einer ersten Faser und eine daran angrenzende zweite Faser, welche als Multimode-Faser ausgebildet ist, wobei der wellenlängen-selektive Reflektor innerhalb der ersten Faser angeordnet ist. Der Kern der ersten Faser weist einen gerin- geren Durchmesser als der Kern der zweiten Faser auf. Die erste Faser kann dabei ebenfalls als eine Multimode-Faser oder alternativ auch als eine Monomode-Faser ausgebildet sein. Die Länge der ersten Faser beträgt dabei vorzugsweise 1 - 5 mm. Falls als wellenlängen-selektiver Reflektor ein Faser-Bragg- Gitter verwendet wird, so weist dieses vorzugsweise eine Re- flektivität von 5 - 100% bei der gewünschten Emissionswellenlänge der Anordnung auf.In a second embodiment, the optical fiber contains at its front end, ie the light entry end, a piece of a first fiber and a second fiber adjacent thereto, which is formed as a multi-mode fiber, wherein the wavelength-selective reflector is disposed within the first fiber. The core of the first fiber has a smaller diameter than the core of the second fiber. The first fiber may also be formed as a multi-mode fiber or alternatively as a single-mode fiber. The length of the first fiber is preferably 1-5 mm. If a fiber Bragg grating is used as the wavelength-selective reflector, this preferably has a reflectivity of 5-100% at the desired emission wavelength of the arrangement.
In einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord- nung ist die Lichtleitfaser als Doppelmantel-Multimode-Faser ausgebildet und weist einen inneren Kern, einen den inneren Kern umschließenden ersten Mantel und einen den ersten Mantel umschließenden zweiten Mantel auf, wobei die Brechungsindizes des inneren Kerns und des ersten und zweiten Mantels von in- nen nach außen abnehmen. Der innere Kern weist vorzugsweise einen Durchmesser von 3 - 20 μm auf. Falls als wellenlängenselektiver Reflektor ein Faser-Bragg-Gitter verwendet wird, so weist dieses vorzugsweise eine Reflektivität von 5 - 100% bei der gewünschten Emissionswellenlänge der Anordnung auf.In a third embodiment of the arrangement according to the invention, the optical fiber is formed as a double-clad multimode fiber and has an inner core, a first cladding surrounding the inner core, and a second cladding surrounding the first cladding, the refractive indices of the inner core and the second cladding remove first and second sheaths from inside to outside. The inner core preferably has a diameter of 3 - 20 microns. If a fiber Bragg grating is used as the wavelength-selective reflector, then this preferably has a reflectivity of 5-100% at the desired emission wavelength of the arrangement.
In einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Lichtleitfaser als Multimode-Faser aufgebaut und weist an einer Position eine dielektrische Beschichtung als wellenlängen-selektiver Reflektor auf. Eine erste Multimode- Faser kann als Einkoppelfaser dienen und die dielektrische Beschichtung kann auf eine zweite Multimode-Faser an einem Ende aufgebracht werden, und die beiden Multimode-Fasern können durch Stoßkopplung miteinander verbunden werden.In a fourth embodiment of the arrangement according to the invention, the optical fiber is constructed as a multimode fiber and has at one position a dielectric coating as a wavelength-selective reflector. A first multimode fiber may serve as a launching fiber and the dielectric coating may be applied to a second multimode fiber at one End applied, and the two multimode fibers can be interconnected by butt coupling.
In einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord- nung ist die Lichtleitfaser als Multimode-Faser ausgebildet und enthält einen Faserkoppler, der zwei Faserausgänge aufweist. Bin erster Faserausgang dient zur Auskopplung des wel- lenlängen-stabilisierten Ausgangslichts in eine Multimode- Faser, während ein zweiter Faserausgang mit einer Multimode- Faser verbunden ist, an deren Ende eine dielektrische Be- schichtung als wellenlangen-selektiver Reflektor aufgebracht ist.In a fifth embodiment of the arrangement according to the invention, the optical fiber is designed as a multimode fiber and contains a fiber coupler having two fiber outputs. A first fiber output serves to decouple the wavelength-stabilized output light into a multimode fiber, while a second fiber output is connected to a multimode fiber, at the end of which a dielectric coating is applied as a wavelength-selective reflector.
In einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen An- Ordnung ist die Lichtleitfaser als eine Multimode-Faser ausgebildet und weist an einer Position eine periodische Modulation, insbesondere eine in den inneren Kern geformte periodische Grabenstruktur als wellenlangen-selektiver Reflektor auf .In a sixth embodiment of the arrangement according to the invention, the optical fiber is designed as a multimode fiber and has at one position a periodic modulation, in particular a periodic trench structure formed in the inner core as a wavelength-selective reflector.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the drawings. Show it:
Fig. 1 eine Breitstreifen-Laserdiode und ihre Abstrahlcha- rakteristik;1 shows a wide-band laser diode and its emission characteristic;
Fig. 2A ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer durchgängigen Multimode- Faser;2A shows a first embodiment of an inventive arrangement with a continuous multimode fiber.
Fig. 2B ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer ersten Faser und einer daran angrenzenden zweiten Faser (Multimode-Faser) ;FIG. 2B shows a second embodiment of an arrangement according to the invention with a first fiber and a second fiber (multimode fiber) adjoining thereto; FIG.
Fig. 2C ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Doppelmantel-Multimode- Faser; Fig. 2D ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Multimode-Faserabschnitten und einer dielektrischen Schicht als wellenlängen- selektiver Reflektor;2C shows a third embodiment of an arrangement according to the invention with a double-jacket multimode fiber; 2D shows a fourth exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with two multimode fiber sections and a dielectric layer as the wavelength-selective reflector;
Fig. 2E ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Multimode-Faser, einem Mehrmoden-Faserkoppler und einer dielektrischen Schicht als wellenlängen-selektiver Reflektor; und2E shows a fifth exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with a multimode fiber, a multimode fiber coupler and a dielectric layer as the wavelength-selective reflector; and
Fig. 2F ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Multimode-Faser und einer periodischen Modulation als wellenlängen- selektiver Reflektor.2F shows a sixth embodiment of an inventive arrangement with a multi-mode fiber and a periodic modulation as a wavelength-selective reflector.
Die Fig. 2A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in einer schematischen Darstellung. Eine kantenemittierende Laserdiode 10 ist als sogenannte Breitstreifen-Laserdiode ausgebildet und weist demzufolge in einer Richtung lateral zur Abstrahlrichtung eine Breite der aktiven Schicht in einem Bereich 10 μm bis 500 μm auf. Sie emittiert ein Strahlungsbündel 15, welches auf eine gewünschte Emissionswellenlänge eingestellt und stabilisiert werden soll.FIG. 2A shows a first exemplary embodiment of the arrangement according to the invention in a schematic illustration. An edge-emitting laser diode 10 is designed as a so-called wide-band laser diode and consequently has a width of the active layer in a range of 10 μm to 500 μm in a direction lateral to the emission direction. It emits a radiation beam 15 which is to be set to a desired emission wavelength and stabilized.
In einem geringen Abstand von der Laserdiode 10 ist eine Lichtleitfaser 20 angeordnet, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als durchgängige Multimode-Faser ausgebildet ist. Die Lichtleitfaser 20 weist einen inneren Kern 20.1 und einen den inneren Kern 20.1 umschließenden Mantel 20.2 auf. In den inneren Kern 20.1 ist als wellenlängen-selektiver Reflektor 21 ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) über den gesamten Durchmesser des inneren Kerns 20.1 in an sich bekannter Weise eingeschrieben oder eingeprägt. Das FBG besitzt eine Reflexionscharakteristik, bei der ein ausgeprägtes Reflexionsmaximum bei der gewünschten Emissionswellenlänge vorhanden ist. Das FBG 21 reflektiert einen Teil des Laserlichts bei dieser vorgegebenen Emissionswellenlänge in die Laserdiode zurück, sodass der Betrieb der Laserdiode auf die durch das FBG 21 definierte Emissionswellenlänge eingestellt und stabilisiert wird. Die Reflektivität des FBG 21 liegt im Bereich zwischen 0,5% und 50%.At a small distance from the laser diode 10, an optical fiber 20 is arranged, which is formed in the present embodiment as a continuous multimode fiber. The optical fiber 20 has an inner core 20.1 and a jacket 20.2 enclosing the inner core 20.1. In the inner core 20. 1, as a wavelength-selective reflector 21, a fiber Bragg grating (FBG) is inscribed or embossed over the entire diameter of the inner core 20. 1 in a manner known per se. The FBG has a reflection characteristic in which a pronounced reflection maximum at the desired emission wavelength is present. The FBG 21 reflects a portion of the laser light back into the laser diode at this predetermined emission wavelength so that the operation of the laser diode is adjusted and stabilized to the emission wavelength defined by the FBG 21. The reflectivity of the FBG 21 is in the range between 0.5% and 50%.
Das FBG 21 ist, wie dargestellt, nahe dem Lichteintrittsende der Lichtleitfaser 20 in den inneren Kern 20.1 eingeprägt. Der Abstand zwischen dem FBG 21 und der Lichtaustrittsfläche der Laserdiode 10 beträgt vorzugsweise nur wenige Millimeter, um Instabilitäten durch die Faserbewegung zu vermeiden. Der Abstand kann beispielsweise 10 mm oder weniger betragen. Insbesondere kann der Abstand 5 mm oder weniger betragen, wobei ein besonders bevorzugter Wert für den Abstand bei 1 - 2 mm liegt. Ferner kann die Lichtleitfaser 20 von einer äußeren Umhüllung 26 umgeben sein, die in Längsrichtung der Faser von dem Lichteintrittsende beabstandet ist.As shown, the FBG 21 is impressed near the light entry end of the optical fiber 20 into the inner core 20.1. The distance between the FBG 21 and the light exit surface of the laser diode 10 is preferably only a few millimeters in order to avoid instabilities caused by the fiber movement. The distance may be, for example, 10 mm or less. In particular, the distance may be 5 mm or less, with a particularly preferred value for the distance being 1 to 2 mm. Further, the optical fiber 20 may be surrounded by an outer sheath 26 spaced longitudinally of the fiber from the light entry end.
Aus der Lichtleitfaser 20 kann die bei der gewünschten Emissionswellenlänge stabilisierte Emissionsstrahlung 25 der La- serdiode 10 entnommen werden.From the optical fiber 20, the emission radiation 25 stabilized at the desired emission wavelength can be taken from the laser diode 10.
In der Fig. 2B ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer er- findungsgemäßen Anordnung zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge einer Laserdiode 10 schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Lichtleitfaser 30 aus zwei verschiedenen Faserabschnitten aufgebaut. Im vorderen Bereich an der Eingangsseite befindet sich ein kurzes Stück einer er- sten Faser 32, welche das Lichteintrittsende enthält. Die erste Faser 32 weist einen inneren Kern 32.1 und einen äußeren Mantel 32.2 auf. In den inneren Kern 32.1 ist ein Faser- Bragg-Gitter (FBG) 31 eingeprägt. Über den Abstand des FBG 31 von der Austrittsfläche der Laserdiode 10 gilt dasselbe wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die erste Faser 32 weist eine Länge von 1 - 5 mm auf. Sie grenzt an eine zweite Faser 33, die als Multimode-Faser ausgebildet ist und einen inneren Kern 33.1 und einen äußeren Mantel 33.2 enthält. Der innere Kern 32.1 der ersten Faser 32 weist einen geringeren Durchmesser als der innere Kern 33.1 der Multimode-Faser 33 auf. Die erste Faser 32 -kann dabei ebenfalls als eine Multimode- Faser oder alternativ auch als eine Monomode-Faser ausgebildet sein. Die Multimode-Faser 33 ist, beginnend in einem Abstand von der Grenze zwischen der ersten Faser 32 und der Multimode-Faser 33 von einer äußeren Umhüllung 36 umgeben. Der wesentliche Teil des von der Laserdiode 10 emittierten Lichtes wird über den inneren Kern 32.1 und den Mantel 32.2 der ersten Faser 32 in die Multimode-Faser 33 geführt. Die erste Faser 32 ist aufgrund ihrer kurzen Länge in der Lage die verschiedenen lateralen Ausbreitungsmoden der Laserdiode 10 bis zu der Multimode-Faser 33 zu führen, da das Emissions- licht der Laserdiode 10 auch in dem Mantel 32.2 geführt wird, sodass aufgrund der kurzen Länge der ersten Faser 32 die Verluste hingenommen werden können. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Lichteintrittsende der ersten Faser 32 in Form einer Linse angeschliffen ist.FIG. 2B schematically illustrates a second exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode. In this embodiment, the optical fiber 30 is composed of two different fiber sections. In the front area on the input side there is a short piece of a first fiber 32, which contains the light entry end. The first fiber 32 has an inner core 32.1 and an outer jacket 32.2. In the inner core 32.1 a fiber Bragg grating (FBG) 31 is embossed. The same applies to the distance of the FBG 31 from the exit surface of the laser diode 10 as in the first embodiment. The first fiber 32 has a length of 1-5 mm. It adjoins a second fiber 33, which is formed as a multimode fiber and an inner fiber Core 33.1 and an outer shell 33.2 contains. The inner core 32. 1 of the first fiber 32 has a smaller diameter than the inner core 33. 1 of the multimode fiber 33. The first fiber 32 may also be formed as a multi-mode fiber or alternatively as a single-mode fiber. The multimode fiber 33 is surrounded by an outer cladding 36 starting at a distance from the boundary between the first fiber 32 and the multimode fiber 33. The essential part of the light emitted by the laser diode 10 is guided via the inner core 32. 1 and the jacket 32. 2 of the first fiber 32 into the multimode fiber 33. Due to its short length, the first fiber 32 is able to guide the various lateral propagation modes of the laser diode 10 as far as the multimode fiber 33, since the emission light of the laser diode 10 is also guided in the cladding 32.2, so that due to the short length the first fiber 32, the losses can be accepted. It may further be provided that the light entry end of the first fiber 32 is ground in the form of a lens.
Die zweite Ausführungsform gemäß der Fig. 2B hat gegenüber der ersten Ausführungsform der Fig. 2A den Vorteil, dass es leichter ist, das FBG 31 in den inneren Kern 32.1 der ersten Faser 32 einzuschreiben. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 2A ist es schwieriger, das FBG 32 über den gesamten Durchmesser des inneren Kerns 20.1 der Multimode-Faser 20 einzuschreiben .The second embodiment according to FIG. 2B has the advantage over the first embodiment of FIG. 2A that it is easier to inscribe the FBG 31 into the inner core 32. 1 of the first fiber 32. In the first embodiment of Fig. 2A, it is more difficult to write the FBG 32 over the entire diameter of the inner core 20.1 of the multimode fiber 20.
Die aus der Lichtleitfaser 30 austretende Laserstrahlung 35 weist eine konstante Wellenlänge auf.The laser radiation 35 emerging from the optical fiber 30 has a constant wavelength.
Eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge einer Laserdiode 10 ist in der Fig. 2C dargestellt. Bei diesem Ausführungsbei- spiel ist die Lichtleitfaser 40 als Zweifach-Mantel-Faser ausgebildet. Der innere Kern 42 der Lichtleitfaser 40 weist vorzugsweise einen sehr kleinen Durchmesser von ca. 3 - 20 μm auf. In den inneren Kern 42 ist das FBG 41 eingeschrieben. Bezüglich des Abstands des FBG 41 von der Lichtaustrittsfläche der Laserdiode 10 und des Abstands von der Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser 40 gilt das zu dem ersten Ausführungsbeispiel gesagte. Der innere Kern 42 ist von einem ersten Mantel 43 umgeben, der einen niedrigeren Brechungsindex als der innere Kern 42 aufweist. Der erste Mantel 43 ist von einem zweiten Mantel 44 umgeben, der einen niedrigeren Brechungsindex als der erste Mantel 43 aufweist. Der zweite Mantel 44 ist von einer in einem Abstand von dem Lichteintrittsende der Lichtleitfaser 40 beginnenden äußeren Umhül- lungs- oder Pufferschicht 46 umgeben, die einen niedrigeren Brechungsindex als der zweite Mantel 44 aufweist.A third embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode 10 is shown in FIG. 2C. In this embodiment, the optical fiber 40 is formed as a double-clad fiber. The inner core 42 of the optical fiber 40 preferably has a very small diameter of about 3 - 20 microns on. In the inner core 42, the FBG 41 is inscribed. With respect to the distance of the FBG 41 from the light exit surface of the laser diode 10 and the distance from the light entrance surface of the optical fiber 40, the said to the first embodiment applies. The inner core 42 is surrounded by a first cladding 43 having a lower refractive index than the inner core 42. The first jacket 43 is surrounded by a second jacket 44, which has a lower refractive index than the first jacket 43. The second cladding 44 is surrounded by an outer cladding or buffer layer 46 starting at a distance from the light entry end of the optical fiber 40 and having a lower refractive index than the second cladding 44.
Das FBG 41 weist eine Reflektivität von 5 - 100% bei der gewünschten Emissionswellenlänge auf. Die Lichtleitfaser 40 wird derart relativ zu der Laserdiode 10 justiert, dass der wesentliche Teil des emittierten Lichts in den inneren, ersten Mantel 43 der Lichtleitfaser 40 gekoppelt wird. Ein re- lativ kleiner Teil des Lichtes wird auch in den inneren Kern 42 der Doppelmantelfaser gekoppelt. Ein wesentlicher Teil des in den inneren Kern 42 der Lichtleitfaser 40 gekoppelten Anteils des Lichts wird durch das FBG 41 in die Laserdiode 10 zurückgekoppelt. Dies führt wie bei den vorhergehenden Aus- führungsbeispielen dazu, dass die Breitstreifen-Laserdiode bei der durch das FBG 41 definierten Wellenlänge eingestellt und stabilisiert wird. Das aus der Lichtleitfaser 40 entnehmbare Ausgangslicht 45 weist somit eine stabile Wellenlänge auf.The FBG 41 has a reflectivity of 5 - 100% at the desired emission wavelength. The optical fiber 40 is adjusted relative to the laser diode 10 such that the substantial portion of the emitted light is coupled into the inner, first cladding 43 of the optical fiber 40. A relatively small portion of the light is also coupled into the inner core 42 of the double cladding fiber. A substantial portion of the light coupled into the inner core 42 of the optical fiber 40 is fed back into the laser diode 10 by the FBG 41. As in the previous embodiments, this results in the broad-band laser diode being adjusted and stabilized at the wavelength defined by the FBG 41. The output light 45 removable from the optical fiber 40 thus has a stable wavelength.
Eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge einer Laserdiode 10 ist in der Fig. 2D dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtleitfaser 50 aus zwei Faserabschnitten aufgebaut, nämlich aus einer ersten Multimode-Faser 52, welche einen inneren Kern 52.1 und einen den inneren Kern 52.1 umschließenden äußeren Mantel 52.2 aufweist und in welche die Emissionsstrahlung 15 der Laserdiode 10 eingekoppelt wird, und eine zweite Multimode-Faser 53, welche ebenfalls einen inneren Kern 53.1 und einen den inneren Kern 53.1 umschließenden äußeren Mantel 53.2 aufweist. Die zweite Multimode- Faser 53 ist mit der ersten Multimode-Faser 52 durch Stoßkopplung verbunden. Die zweite Multimode-Faser 53 ist an ihrem der ersten Multimode-Faser 52 zugewandten Ende mit einer dielektrischen Beschichtung 51 versehen, welche bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Rolle des wellenlängen- selektiven Reflektors übernimmt. Die dielektrische Beschichtung 51 kann beispielsweise aus einer Anzahl von Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex aufgebaut sein und solchermaßen ein Reflexionsspektrum mit einer definierten schmalbandigen Reflexion bei einer gewünschten Ξmis- sionswellenlänge liefern. Ein relativ kleiner Anteil derA fourth embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode 10 is shown in FIG. 2D. In this embodiment, the optical fiber 50 is composed of two fiber sections, namely a first multimode fiber 52, which has an inner core 52.1 and an outer shell 52.2 surrounding the inner core 52.1 and in which the Emission radiation 15 of the laser diode 10 is coupled, and a second multimode fiber 53, which also has an inner core 53.1 and the inner core 53.1 enclosing the outer jacket 53.2. The second multimode fiber 53 is connected to the first multimode fiber 52 by butt coupling. The second multimode fiber 53 is provided at its end facing the first multimode fiber 52 with a dielectric coating 51, which assumes the role of the wavelength-selective reflector in the present embodiment. For example, the dielectric coating 51 may be constructed of a number of layers of alternating high and low refractive indices, thus providing a reflection spectrum with a defined narrow-band reflection at a desired emission wavelength. A relatively small proportion of
Emissionsstrahlung der Laserdiode 10 wird bei der durch die dielektrische Beschichtung 51 festgelegten Wellenlänge in die Laserdiode zurückgekoppelt. Dies führt wieder dazu, dass die Laserdiode 10 bei der durch die dielektrische Beschichtung 51 definierten Wellenlänge eingestellt und stabilisiert wird, sodass die aus der zweiten Multimode-Faser 53 entnommene Ausgangsstrahlung 55 eine stabile Wellenlänge aufweist. Die Lichtleitfaser 50 kann zudem von einer in einem Abstand von dem Lichteintrittsende der ersten Multimode-Faser 52 begin- nenden äußeren Umhüllung 56 umgeben sein. Der Abstand der dielektrischen Beschichtung 51 von der Lichtaustrittsfläche der Laserdiode 10 liegt vorzugsweise im Bereich weniger Millimeter, beispielsweise kleiner als 20 mm oder kleiner als 10 mm.Emission radiation of the laser diode 10 is fed back into the laser diode at the wavelength determined by the dielectric coating 51. This again causes the laser diode 10 to be adjusted and stabilized at the wavelength defined by the dielectric coating 51, so that the output radiation 55 extracted from the second multimode fiber 53 has a stable wavelength. The optical fiber 50 may also be surrounded by an outer sheath 56 starting at a distance from the light entry end of the first multimode fiber 52. The distance of the dielectric coating 51 from the light exit surface of the laser diode 10 is preferably in the range of a few millimeters, for example less than 20 mm or less than 10 mm.
Eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge einer Laserdiode 10 ist in der Fig. 2E dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die .Lichtleitfaser 60 eine erste Multimode-Faser 62 auf, welche einen inneren Kern 62.1 und einen den inneren Kern 62.1 umschließenden äußeren Mantel 62.2 enthält. Die erste Multimode-Faser 62 ist beginnend in einem Abstand von dem Lichteintrittsende der ersten Multimode-Faser 62 von einer äußeren Umhüllung 66 umgeben. An einem hinteren Ende der ersten Multimode-Faser 62 ist ein Mehrmoden-Faserkoppler 61 angeschlossen, durch welchen die von der ersten Multimode-Faser 62 eingekoppelte Strahlung zu einem relativ großen Anteil, beispielsweise 95%, in eine als Ausgangsfaser dienende zweite Multimode-Faser 61.1 und zu einem relativ kleinen Anteil, beispielsweise 5%, in eine dritte Multimode-Faser 61.2 eingekoppelt wird. Die dritte Multimode-Faser 61.2 ist an ihrem äußeren Ende mit einer hochreflektierenden dielektrischen Be- schichtung 61.3 versehen, durch die Licht der gewünschten Emissionswellenlänge in die Laserdiode 10 zurückgekoppelt wird. Dies führt wieder dazu, dass die Laserdiode 10 bei der durch die dielektrische Beschichtung 61.3 eingestellten WeI- lenlänge eingestellt und stabilisiert wird, sodass die Ausgangsstrahlung 65 eine stabile Wellenlänge aufweist.A fifth embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode 10 is shown in FIG. 2E. In this embodiment, the optical fiber 60 comprises a first multimode fiber 62 which includes an inner core 62.1 and an outer jacket 62.2 surrounding the inner core 62.1. The first multimode fiber 62 is starting at a distance from the Light entrance end of the first multimode fiber 62 surrounded by an outer sheath 66. At a rear end of the first multimode fiber 62, a multimode fiber coupler 61 is connected, through which the radiation coupled from the first multimode fiber 62 to a relatively large proportion, for example 95%, in a serving as an output fiber second multimode fiber 61.1 and coupled into a relatively small proportion, for example 5%, in a third multimode fiber 61.2. The third multimode fiber 61.2 is provided at its outer end with a highly reflective dielectric coating 61.3, is fed back by the light of the desired emission wavelength in the laser diode 10. This in turn causes the laser diode 10 to be adjusted and stabilized at the wavelength set by the dielectric coating 61.3, so that the output radiation 65 has a stable wavelength.
Eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge einer Laser- diode 10 ist in der Fig. 2F dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtleitfaser 70 als eine Multimode- Faser 72 ausgebildet, welche einen inneren Kern 72.1 und einen den inneren Kern 72.1 umschließenden äußeren Mantel 72.2 aufweist. Die Multimode-Faser 72 ist beginnend in einem Ab- stand von ihrem Lichteintrittsende von einer äußeren Umhüllung 76 umgeben. Der wellenlängen-selektive Reflektor 71 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen wellenlängenselektiv reflektierende periodische Modulation auf oder nahe der Grenzfläche zwischen dem Kern 72.1 und dem Mantel 72.2 gebildet. Diese periodische Modulation kann eine durch lithographisches Einschreiben oder mechanisches Einbringen von Gräben in den inneren Kern 72.1 erzeugte periodische Verformung oder eine sonstiger Modulation sein, die zu einer lokalen periodischen Modulation des Brechungsindex in der Multi- mode-Faser 72 führt. Die Gräben sind in der Fig. 2F im Querschnitt zu sehen und verlaufen in Umfangsrichtung um den inneren Kern 72.1. Diese periodische Modulation 71 ist spektral selektiv und über die Periode der Modulation kann die gewünschte Emissionswellenlänge definiert werden. Das an der periodischen Modulation 71 zurückreflektierte Licht kann somit wieder zur Einstellung und Stabilisierung der Emissions- weilenlänge der Laserdiode 10 genutzt werden, sodass die Ausgangsstrahlung 75 eine konstante Wellenlänge aufweist. Der Abstand der periodischen Modulation 71 von der Lichtaustrittsfläche der Laserdiode 10 liegt vorzugsweise im Bereich weniger Millimeter, beispielsweise kleiner als 20 mm oder kleiner als 10 mm.A sixth embodiment of an arrangement according to the invention for stabilizing the emission wavelength of a laser diode 10 is shown in FIG. 2F. In this embodiment, the optical fiber 70 is formed as a multi-mode fiber 72 having an inner core 72.1 and an outer shell 72.2 surrounding the inner core 72.1. The multimode fiber 72 is surrounded by an outer envelope 76 at a distance from its light entry end. The wavelength-selective reflector 71 is formed in this embodiment by a wavelength-selective reflective periodic modulation on or near the interface between the core 72.1 and the cladding 72.2. This periodic modulation may be a periodic deformation or other modulation produced by lithographic writing or mechanical introduction of trenches into the inner core 72.1, which results in a local periodic modulation of the refractive index in the multi-mode fiber 72. The trenches are shown in cross-section in FIG. 2F and extend circumferentially about the inner core 72.1. This periodic modulation 71 is spectral selectively and over the period of the modulation, the desired emission wavelength can be defined. The light reflected back at the periodic modulation 71 can thus be used again for setting and stabilizing the emission wavelength of the laser diode 10 so that the output radiation 75 has a constant wavelength. The distance of the periodic modulation 71 from the light exit surface of the laser diode 10 is preferably in the range of a few millimeters, for example less than 20 mm or less than 10 mm.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere geeignet für Anwendungen als Pump-Laser in Faserverstärkern wie Erbiumdotierten Faserverstärkern und in Faserlasern. The arrangement according to the invention is particularly suitable for applications as pump lasers in fiber amplifiers such as Erbium doped fiber amplifiers and in fiber lasers.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Stabilisierung der Emissions-Wellenlänge einer Laserdiode, umfassend - eine Laserdiode (10),An arrangement for stabilizing the emission wavelength of a laser diode, comprising - a laser diode (10),
- eine Lichtleitfaser (20; 30; 40; '50; 60; 70),- an optical fiber (20; 30; 40; '50; 60; 70),
- in welche die Emissionsstrahlung der Laserdiode (10) ein- koppelbar ist,in which the emission radiation of the laser diode (10) can be coupled in,
- welche einen wellenlängen-selektiven Reflektor (21; 31; ■ 41; 51; 61, 61.1, 61.2; 71) enthält, welcher bei der gewünschten Emissions-Wellenlänge ein Reflexionsvermögen aufweist, und- which contains a wavelength-selective reflector (21; 31; ■ 41; 51; 61, 61.1, 61.2; 71) which has a reflectivity at the desired emission wavelength, and
- welche mindestens abschnittsweise als Multimode-Faser ausgebildet ist.- Which is at least partially formed as a multi-mode fiber.
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a
- die Laserdiode (10) eine kantenemittierende Laserdiode ist und eine aktive Schicht enthält, welche lateral zur Ab- strahlrichtung eine Breite im Bereich 10 μm - 500 μm aufweist .- The laser diode (10) is an edge-emitting laser diode and includes an active layer, which laterally to the Abstrahlrichtung has a width in the range 10 microns - 500 microns.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - der wellenlängen-selektive Reflektor (21; 31; 41; 51; 61, 61.1, 61.2; 71) an einer derartigen Position in der Lichtleitfaser (20; 30; 40; 50; 60; 70) angeordnet ist, dass er in einem Abstand von weniger als 1 m, insbesondere weniger als 50 mm, insbesondere weniger als 20 mm, insbesondere we- niger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm, insbesondere 1 - 2 mm von der Austrittsfläche der Laserdiode angeordnet ist.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that - the wavelength-selective reflector (21; 31; 41; 51; 61,61,1,61,2; 71) at such a position in the optical fiber (20; 30; 40; 50 ; 60; 70) is arranged to be at a distance of less than 1 m, in particular less than 50 mm, in particular less than 20 mm, in particular less than 10 mm, in particular less than 5 mm, in particular 1-2 mm is arranged from the exit surface of the laser diode.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a
- der wellenlängen-selektive Reflektor (21; 31; 41; 51; 61, 61.1, 61.2; 71) innerhalb der Lichtleitfaser (20; 30; 40; 50; 60; 70) in einem Abstand von weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm, von dem- The wavelength-selective reflector (21; 31; 41; 51; 61, 61.1, 61.2; 71) within the optical fiber (20; 30; 40; 50; 60; 70) at a distance of less than 10 mm, in particular less than 5 mm, of the
Lichteintrittsende der Lichtleitfaser (20; 30; 40; 50; 60; 70) angeordnet ist.Light incident end of the optical fiber (20; 30; 40; 50; 60; 70).
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a
- der wellenlängen-selektive Reflektor (21; 31; 41) ein Faser-Bragg-Gitter ist.the wavelength-selective reflector (21; 31; 41) is a fiber Bragg grating.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass6. Arrangement according to one of claims 1 to 4, d a d e r c h e c e n e c i n e that t
- der wellenlängen-selektive Reflektor (51) eine dielektrische Beschichtung ist.- The wavelength-selective reflector (51) is a dielectric coating.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass7. Arrangement according to one of claims 1 to 4, d a d u r c h e c e n e c e s in that e
- der wellenlängen-selektive Reflektor (61, 61.1, 61.2) einen Faserkoppler (61) aufweist, in welchen die Emissionsstrah- lung der Laserdiode (10) einkoppelbar ist und welcher einen ersten und einen zweiten Faserausgang aufweist, wobei an den zweiten Faserausgang eine mit einer hochreflektierenden Beschichtung (61.3) versehene Multimode-Faser (61.2) verbunden ist und mit dem ersten Faserausgang eine Multimode- Faser (61.1) verbunden ist, in welche die wellenlängenstabilisierte Ausgangsstrahlung (65) einkoppelbar ist.- The wavelength-selective reflector (61, 61.1, 61.2) has a fiber coupler (61), in which the emission radiation of the laser diode (10) can be coupled and which has a first and a second fiber output, wherein the second fiber output with a a multimode fiber (61.2) provided with a highly reflective coating (61.3), and a multimode fiber (61.1) is connected to the first fiber output, into which the wavelength-stabilized output radiation (65) can be coupled.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - der wellenlängen-selektive Reflektor (71) durch eine periodische Modulation der Multimode-Faser (72), insbesondere eine in den inneren Kern (72.1) geformte periodische Grabenstruktur, gegeben ist.8. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that - the wavelength-selective reflector (71) by a periodic modulation of the multimode fiber (72), in particular a in the inner core (72.1) shaped periodic trench structure is given ,
9. Anordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die Lichtleitfaser (20; 30; 40) einen Kern und einen den Kern umgebenden Mantel aufweist und das Faser-Bragg-Gitter in dem Kern angeordnet ist.9. Arrangement according to claim 5, characterized in that - The optical fiber (20; 30; 40) has a core and a cladding surrounding the core and the fiber Bragg grating is arranged in the core.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass10. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a
- die Lichtleitfaser (20) als durchgängige Multimode-Faser (20) ausgebildet ist.- The optical fiber (20) is designed as a continuous multimode fiber (20).
11. Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass11. Arrangement according to claim 10, characterized in that a
- der wellenlängen-selektive Reflektor (21) eine Reflektivi- tät von 0,5 - 50% bei der gewünschten Emissionswellenlänge der Anordnung aufweist.- The wavelength-selective reflector (21) has a reflectivity of 0.5 - 50% at the desired emission wavelength of the arrangement.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass12. Arrangement according to one of claims 1 to 5 or 9, d a d u c h e c e n e c i n e that t
- die Lichtleitfaser (30) eingangsseitig eine erste Faser (32) enthält, an welche eine zweite Faser (33) angrenzt, welche als Multimode-Faser ausgebildet ist, wobei- The optical fiber (30) on the input side, a first fiber (32), to which a second fiber (33) is adjacent, which is formed as a multi-mode fiber, wherein
- der Kern (32.1) der ersten Faser (32) einen geringeren Durchmesser als der Kern (33.1) der zweiten Faser (33) aufweist und der wellenlängen-selektive Reflektor (31) innerhalb der ersten Faser (32) angeordnet ist.- The core (32.1) of the first fiber (32) has a smaller diameter than the core (33.1) of the second fiber (33) and the wavelength-selective reflector (31) within the first fiber (32) is arranged.
13. Anordnung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass13. Arrangement according to claim 12, characterized in that a
- die erste Faser (32) als Monomode-Faser oder als Multimode- Faser ausgebildet ist.- The first fiber (32) is designed as a single-mode fiber or as a multi-mode fiber.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass14. Arrangement according to claim 12 or 13, in that a
- die Länge der ersten Faser (32) 1 - 5 mm beträgt.- The length of the first fiber (32) is 1 - 5 mm.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - der wellenlängen-selektive Reflektor (31) eine Reflektivi- tät von 5 - 100% bei der gewünschten Emissionswellenlänge der Anordnung aufweist.15. Arrangement according to one of claims 12 to 14, characterized in that - The wavelength-selective reflector (31) has a reflectivity of 5 - 100% at the desired emission wavelength of the arrangement.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass16. Arrangement according to one of claims 1 to 5 or 9, d a d e r c h e c e n e c i n e that t
- die Lichtleitfaser (40) einen inneren Kern (42), einen den inneren Kern (42) umschließenden ersten Mantel (43) und einen den ersten Mantel (43) umschließenden zweiten Mantel (44) aufweist, wobei die Brechungsindizes des inneren Kerns (42) und des ersten (43) und zweiten Mantels (44) von innen nach außen abnehmen.- The optical fiber (40) has an inner core (42), a the inner core (42) enclosing the first sheath (43) and a first sheath (43) enclosing the second sheath (44), wherein the refractive indices of the inner core (42 ) and the first (43) and second mantles (44) from inside to outside.
17. Anordnung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass17. Arrangement according to claim 16, characterized in that a
- der innere Kern (42) einen Durchmesser von 3 - 20 μm aufweist .- The inner core (42) has a diameter of 3 - 20 microns.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass18. Arrangement according to one of claims 16 or 17, characterized in that a
- der wellenlängen-selektive Reflektor (41) eine Reflektivi- tät von 5 - 100% aufweist.- The wavelength-selective reflector (41) has a reflectivity of 5 - 100%.
19. Anordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass19. Arrangement according to claim 6, characterized in that a
- die Lichtleitfaser (50) eine erste Multimode-Faser (52) und eine daran angrenzende zweite Multimode-Faser (53) aufweist, wobei der wellenlängen-selektive Reflektor (51) durch eine an der Grenzfläche zwischen der ersten (52) und der zweiten Multimode-Faser (53) angeordnete dielektrische Beschichtung gegeben ist.- The optical fiber (50) comprises a first multimode fiber (52) and an adjacent second multimode fiber (53), wherein the wavelength-selective reflector (51) by one at the interface between the first (52) and the second Multimode fiber (53) arranged dielectric coating is given.
20. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die Lichtleitfaser (60) durch eine Multimode-Faser (62) gegeben ist, die ausgangsseitig mit dem Faserkoppler (61) verbunden ist. 20. Arrangement according to claim 1, characterized in that - the optical fiber (60) is given by a multimode fiber (62), which is connected on the output side to the fiber coupler (61).
21. Anordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die Leichtleitfaser (70) durch eine Multimode-Faser (72) gegeben ist, die an einer definierten Position mit der periodischen Modulation (71) versehen ist. 21. Arrangement according to claim 8, characterized in that - the light-conducting fiber (70) is given by a multimode fiber (72) which is provided at a defined position with the periodic modulation (71).
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