DE3543509A1 - Anordnung zur frequenzstabiliserung und bandbreiteneinengung von lasern, insbesondere halbleiterlasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Frequenzstabilisierung und Bandbreiteneinengung von Lasern, insbesondere Halbleiterlasern, mit einem einen Teil der Strahlung in den Laser reflektierenden optischen Gitter, dessen Gitterkonstante der Stabilisierungswellen­ länge angepaßt ist. Bei einer nach IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 6, 1982, Seiten 961-969 bekannten Anordnung dieser Art wird von einem rückwärtigen Ausgang abgestrahltes Licht eines Lasers über eine Frei­ strahloptik einem schräg zur Strahlrichtung angeordneten Gitter zugeführt, von welchem der Strahl der ersten Beugungsanordnung in den Laser reflektiert wird. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, einerseits die Emissionsfrequenz eines Lasers zu stabilisieren und andererseits auch die Bandbreite einzuengen.

Eine in Freistrahltechnik aufgebaute Reflektionsanordnung ist allerdings raumaufwendig und erfordert erhebliche Justierarbeiten. Ferner ergeben sich Stabilitätsprobleme. Der für die Reflektionsanordnung erforderliche rückwärtige Ausgang des Lasers ist meistens schwer zugänglich. Insbesondere für optische Übertragungssysteme mit Heterodynempfang ist eine weitergehende Einengung der Emissionsbandbreite erwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte und einfache Anordnung zur Stabilisierung des Lasers, insbesondere eines Halbleiterlasers zu schaffen, welche einem Laser beliebiger üblicher Bauart extern zuordbar ist, verlustarm eine gezielte Stabilisierung gewährleistet und eine äußerst schmalbandige Emission ermöglicht.

Die Lösung gelingt dadurch, daß das Gitter aus einem Abschnitt eines optischen Wellenleiters besteht, neben welchem eine in Strahlungsrichtung periodisch wieder­ kehrende Gitterstruktur angeordnet ist, die sich im Felde der geführten optischen Welle befindet und deren Gitter­ konstante (Periode) eine halbe Wellenlänge des in dem Abschnitt des optischen Wellenleiters geführten Lichts der Stabilisierungsfrequenz oder ein ganzzahliges, vorzugs­ weise höchstens 3faches Vielfaches davon beträgt, und daß dieser Abschnitt des optischen Wellenleiters mindestens 10 cm von dem Laserausgang entfernt und über einen optischen Wellenleiter mit dem optischen Ausgang des Lasers verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist direkt in den Weg des Nutzstrahls des Lasers integriert. Ein rückwärtiger Laserausgang braucht nicht zugänglich zu sein. Der erfindungsgemäße Wellenleiter-Gitterreflektor kann z.B. in Form eines an eine Faser in Strahlrichtung angelegten externen Phasengitters aufgebaut sein, wie es prinzipiell beispielsweise durch 8th Conference on Optical Fiber Communication, San Diego, Febr. 1985, paper THCC 3, bekannt ist. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Gitterstruktur, welche direkt auf einen Abschnitt eines Wellenleiters aufgebracht ist, wie es z.B. in Optics Letters, Vol. 10, 1985, S. 291 bis 293 für ein Spektrometer beschrieben ist. Konventionelle in Freistrahltechnik erforderliche optische Bauelemente wie Linsen oder Strahlteiler sind nicht erforderlich. Damit entfällt ein erheblicher Justieraufwand. Der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Anordnung ist wesentlich verringert. Durch eine Veränderung der Gitterkonstante läßt sich in gewissem Ausmaß die Emissionswellenlänge des Lasers variieren. Der optische Reflexionsgrad kann durch die Amplitude des Gitters und/oder das Ausmaß der Ankopplung bzw. der Nähe zum Kern des optischen Wellenleiters eingestellt werden.

Die Bandbreite ist vorzugsweise durch den Abstand der Gitterstruktur vom Laser, d.h. durch die Länge der Ankopplungsfaser beeinflußbar. Eine ausreichende Schmalbandigkeit erfordert einen Abstand von mindestens 10 cm, welcher durch einen zusätzlich als Resonator wirkenden optischen Wellenleiter wie z.B. eine Ankopplungsfaser gebildet ist. Wenn der Laser für Heterodyn-Empfänger eingesetzt werden soll, empfiehlt sich zur Erzielung einer besonders schmalen Bandbreite ein Mindestabstand von 1 m.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind insbesondere dann voll nutzbar, wenn die Gitterstruktur in den Verlauf des die Nutzleistung des Lasers führenden optischen Wellenleiters integriert ist, obgleich es natürlich auch möglich wäre, eine erfindungsgemäße Anordnung als externen Resonator an einen rückwärtigen Ausgang eines Lasers anzukoppeln oder über einen Strahl­ teiler oder einen faseroptischen Koppler an einen Abzweig des die Nutzstrahlung führenden optischen Wellenleiters anzuschließen. Der mit der Gitterstruktur versehene Abschnitt eines optischen Wellenleiters kann als selb­ ständiges Bauteil ausgebildet sein, welches über eine Steck- oder Spleißverbindung mit einem vom Laser kommenden LWL oder an dessen "pig tail" angekoppelt ist. Es ist ebenfalls möglich, einen entsprechend vom Laser entfernten Abschnitt des "pig tails" direkt mit einer geeigneten Gitterstruktur zu versehen.

Eine kostengünstige und besonders kompakte Ausführung eines als selbständigen Bauteils ausgebildeten Reflek­ tors ergibt sich dadurch, daß der Abschnitt des optischen Wellenleiters ein integriert optischer Wellenleiter ist.

Auf einen LWL kann die Gitterstruktur in vorgegebener Nähe zum Kern und mit entsprechend der gewählten Krümmung der Faser in gewünschter Länge entlang eines bis in die Nähe des Kernbereichs in gekrümmter Position angeschliffenen Abschnitts eines LWL angeordnet sein. Durch den Abstand der oberflächlichen Gitterstruktur vom Kern sowie durch die Amplitude des Gitters, beispielsweise durch die Dicke der aufgebrachten Gitterstreifen, kann der für einen Laser optimale Reflexionsgrad angepaßt werden. Durch die Länge des mit einer Gitterstruktur versehenen Abschnitts eines optischen Wellenleiters läßt sich das Modenspektrum des Lasers einengen, wobei eine Mindestlänge von 100 um nicht unterschritten werden sollte. Dabei sollte auch die Breite der Gitterstreifen senkrecht zur Strahlrichtung mindestens etwa eine optische Wellenlänge betragen.

Mehrere Frequenzbänder eines Lasers werden jeweils schmal­ bandig verstärkt betonbar, wenn die Gitterstruktur mit einer entsprechenden Anzahl verschiedener Gitterperioden aufgebracht wird. Das kann einerseits durch aufeinander­ folgende Bereiche mit jeweils einheitlicher aber verschie­ dener Gitterkonstante erreicht werden. Als vorteilhaft hat sich auch erwiesen, daß die periodische Gitterstruktur mit mindestens zwei einander überlagerten Periodizitäten aus­ gebildet ist, die sich vorzugsweise jede über die gesamte Länge der reflektierenden Gitterstruktur erstrecken.

Zur Anpassung des optimalen Reflexionsgrades bei vorgege­ benen Exemplaren eines Lasers und eines erfindungsgemäßen Reflektors kann im optischen Weg zwischen Laser und der periodischen Gitterstruktur ein nichtreziprokes optisches Element angeordnet sein, welches die Rückstrahlung der periodischen Gitterstruktur gegebenenfalls einstellbar abschwächt und welches andererseits die vom Laser emitierte Strahlung praktisch unbehindert durchläßt. Statt eines nichtreziproken optischen Elements kann auch ein die Polarisationsebene der Laserstrahlung drehendes Element vorgesehen werden, da die Reflexionswirkung eines erfindungsgemäßen Reflektors von der Anordnung der Gitter­ struktur relativ zur Polarisationsebene abhängig ist.

Eine besonders einfache Möglichkeit zur Abschwächung der Reflexion einer Gitterstruktur, welche auf die Oberfläche eines Abschnitts eines Wellenleiters stufenartig in Form von Streifen mit gegenüber der Außenschicht des Wellenleiters erhöhtem Brechungsindex aufgebracht ist, ergibt sich dadurch, daß auf die periodische Gitter­ struktur ein aus elastischem optischem Material bestehen­ des Element mit einstellbarer Kraft gedrückt ist, dessen Brechungsindex zumindest annähernd gleich demjenigen des Schichtenmaterials der aufgebrachten Gitterstruktur ist. Je nach der Höhe der gewählten Andruckkraft dringt das elastische optische Material mehr oder weniger in die Zwischenräume zwischen den Streifen ein und reduziert derart in vorgebbarem Ausmaß die Gitterreflexion.

Da die Selektionswellenlänge der Gitterstruktur, d. h. die vornehmlich reflektierte Wellenlänge, nicht nur vom geometrischen Abstand der Gitterstreifen abhängig ist, sondern auch von den Brechungsindices des optischen Wellenleiters und der Gitterstruktur, ist es vorteilhaft, die die Brechungsindices beeinflussenden Randbedingungen wie Druck, Temperatur und Felder mechanischer, elektrischer oder magnetischer Art konstant zu halten. Dabei werden vorzugsweise auch der Strom und die Temperatur des Lasers stabilisiert, damit eine optimale Anpassung von Laser und Gitterstruktur erhalten bleibt. Andererseits können ein oder mehrere dieser Einflußgrößen bewußt verändert werden, um gewollt Änderungen der Stabilisierungswellenlänge und/oder Bandbreite des Lasers in gewissem Ausmaß zu bewirken. Auch ein kontrolliertes zeitliches Driften dieser Werte kann in gewissen Fällen gewünscht und erreicht werden.

Es ist ebenfalls vorteilhaft möglich, mit Hilfe der auf den erfindungsgemäßen Reflektor einwirkenden Einflußgrößen die beispielsweise temperaturbedingte Frequenzdrift eines Lasers mittels einer Regelung zu verhindern.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten vorteilhaften Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Frequenzstabilisierung und Bandbreiteneinengung eines Halbleiterlasers.

Fig. 2 zeigt eine auf einen integriert optischen planaren Wellenleiter aufgebrachte Gitterstruktur.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Verringerung des Reflexionsgrades.

Fig. 4 zeigt den funktionalen Aufbau einer Regel- bzw. Steuerschaltung zur gezielten Konstanthaltung oder Änderung der Laserfrequenz und/oder -bandbreite.

In Fig. 1 sind mit 1 ein Halbleiterlaser, mit 2 dessen Ausgangsfaser (pig tail), mit 3 ein polarisations­ veränderndes oder nichtreziprokes Element und mit 4 ein erfindungsgemäß gestalteter Gitterreflektor bezeichnet. Der Gitterreflektor 4 enthält einen gekrümmt verlaufenden Abschnitt 5 eines LWL 6, welcher in einen Quarzblock 7 eingebettet ist. Der Quarzblock 7 wurde bis in die Nähe des Kernbereich des Abschnitts 5 des LWL 6 angeschliffen. Auf der Schliffebene ist mittels eines Fotolacks eine Gitterstruktur 8 aufgebracht.

Der von der Gitterstruktur 8 reflektierte Teil der Laser-Strahlung kann im Bedarfsfall durch das Element 3 abgeschwächt werden, welches die vom Laser 1 ausgehende Strahlung praktisch unbehindert weiterleitet, aber die reflektierte Strahlung einstellbar abschwächt. Geeignete polarisationsverändernde oder nichtreziproke optische Elemente sind dem Fachmann bekannt.

An der Stelle 9 ist eine Verbindung des LWL 6 mit dem "pig-tail" des Lasers 1 angedeutet. Eine solche Verbindung kann durch Kleben, Schweißen oder auch über Stecker erfolgen.

In Fig. 2 ist der mit der Gitterstruktur 8 versehene Wellenleiter ein integriert optischer Wellenleiter 10 an sich bekannter Art, welcher in einem Block 11 z.B. durch Eindiffundieren gebildet und an die Faserenden 12 und 13 angekoppelt ist.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur gezielt einstellbaren Abschwächung des Reflexionsgrades der Gitterstruktur 14 deutet Fig. 3 an. Die Gitterstruktur 14 ist im gewählten Beispiel durch linienförmige Einätzungen in die Schliff-Ebene des Blocks 7 erzeugt. Mittels einer Kraft in Pfeilrichtung 15 wird über die starre Druckplatte 16 Material der weichelastischen Schicht 17 in gewünschtem Ausmaß in die Gittertäler gedrückt. Der Brechungsindex der weichelastischen Schicht 12 ist etwa gleich demjenigen der erhabenen Gitterstreifen der Gitterstruktur 14.

Bei der in Fig. 3 erkennbaren vollständigen Aufpressung ist die Gitterstruktur 14 praktisch unwirksam gemacht.

In Fig. 4 wird ein Teil der vom Laser 1 über den Gitterreflektor 4 gesendete Strahlung über den Abzweig 18 eines Strahlteilers einem Element 19 zur Messung der optischen Frequenz zugeführt. Der Meßwert und der Soll­ wert 20 werden im Komparator 21 verglichen. Eine Abweichung veranlaßt den Regler 22 zur Verstellung einer der Größen, durch welche die Frequenz des Lasers beeinflußbar ist. Das können entweder Randbedingungen des Gitterreflektors 4 und/oder des Lasers 1 sein. Es ist aber auch möglich, die auf die Faser 23 zwischen Laser 1 und Gitterreflektor 4 einwirkenden Randbedingungen wie Temperatur oder Dehnung zu ändern, was mittels einer angedeuteten Einrichtung 24 geschehen kann.

Claims (17)

1. Anordnung zur Frequenzstabilisierung und Bandbreiteneinengung von Lasern, insbesondere Halbleiterlasern, mit einem einen Teil der Strahlung in den Laser reflektierenden optischen Gitter, dessen Gitterkonstante der Stabilisierungswellenlänge angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus einem Abschnitt eines optischen Wellenleiters besteht, neben welchem eine in Strahlungsrichtung periodisch wiederkehrende Gitterstruktur angeordnet ist, die sich im Felde der geführten optischen Welle befindet und deren Gitterkonstante (Periode) eine halbe Wellenlänge des in dem Abschnitt des optischen Wellenleiters geführten Lichts der Stabilisierungsfrequenz oder ein ganzzahliges, vorzugsweise höchstens 3faches Vielfaches davon beträgt, und daß dieser Abschnitt des optischen Wellenleiters mindestens 10 cm von dem Laserausgang entfernt und über einen optischen Wellenleiter mit dem optischen Ausgang des Lasers verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt des optischen Wellenleiters aus einer optischen Faser besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt des optischen Wellenleiters zumindest teilweise ein integriert optischer Wellenleiter ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Gitterstruktur entlang eines bis in die Nähe des Kernbereichs in gekrümmter Position angeschliffenen Abschnitts eines LWL angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Gitterstruktur entlang der Oberfläche eines planaren integriert optischen Wellenleiters angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Gitterstruktur auf bzw. im Oberflächenbereich des optischen Wellenleiters angebracht ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Gitterstruktur auf einem in Strahlrichtung gesehenen Längenbereich von mindestens 100 µm und mindestens über eine Breite von einer optischen Wellenlänge angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Gitterstruktur durch periodisch aufeinanderfolgende Schichtbereiche mit gegenüber den Zwischenbereichen unterschiedlichem Brechungsindex gebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur durch periodisch aufeinanderfolgend auf die Oberfläche des optischen Wellenleiters mit Abstand voneinander aufgebrachte Streifen gebildet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Gitterstruktur mit mindestens zwei einander überlagerten Periodizitäten ausgebildet ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Gitterstruktur aus aufeinanderfolgenden Teilbereichen mit unterschiedlichen Gitterkonstanten besteht.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Gitterkonstante der periodischen Gitterstruktur maßgeblichen Randbedingun­ gen wie Temperatur und/oder Druck und/oder äußere Felder mechanischer und/oder elektrischer und/oder magnetischer Art und/oder Dehnung sowie der Strom und die Temperatur des Lasers konstant gehalten sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der für die Gitterkonstante der periodischen Gitterstruktur maßgebli­ chen Randbedingungen und/oder der Strom und/oder die Temperatur des Lasers einstellbar veränderlich ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Randbedingungen eine Stellgröße zur mindestens annähernden Konstantregelung der Laserfrequenz bildet.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Weg zwischen Laser und der periodischen Gitterstruktur ein nicht reziprokes optisches Element angeordnet ist, welches die Rückstrahlung der periodischen Gitterstruktur gegebenenfalls einstellbar abschwächt und welches andererseits die vom Laser emitierte Strahlung praktisch ungehindert durchläßt.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Weg zwischen Laser und der periodischen Gitterstruktur ein polarisationsveränderndes optisches Element angeordnet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf die periodische Gitterstruktur ein aus elastischem optischem Material bestehendes Element mit einstellbarer Kraft gedrückt ist, dessen Brechungsindex zumindest annähernd gleich demjenigen des Schichtenmaterials der aufgebrachten Gitterstruktur ist.