DE3406838C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Lichtfaser-Nachrichtensystemen sind die Betriebskennlinien von Injektionslasern bei Hochgeschwindigkeitsmodulation von Interesse. Von besonderem Interesse bei der breitbandigen Einzel-Längsmodenübertragung mittels Fasern sind dynamische Spektral-Verhaltensmerkmale, wie z. B. das Frequenzzwitschern (frequency chirping) und die Einschwing-Verstärkungsspitzenverschiebung im Ein­ schwingbereich sowie die Verbreiterung der Spektral-Hüllkurve beim Auftreten von mehreren Längsmoden. Die Beherrschung dieser dynamischen Spektralkennlinien sowie weiterer Eigen­ arten sind wichtig, um eine ausreichende Modenselektion für den Einzel-Längsmodenbetrieb bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit zu erzielen.

Es sind verschiedene Vorgehensweisen zum Erzielen der Längs­ moden-Selektion bei Lasern bekannt. Abgesehen von der Ver­ wendung eingebauter Gitter zur Rückkopplung sind dies: Kurz­ hohlraumlaser, Laser mit externem Hohlraum und Doppelab­ schnitt-Laser (Laser mit gekoppeltem Hohlraum). Diese Maß­ nahmen sollen unten näher erläutert werden.

Kurzhohlraumlaser machen Gebrauch von einem optischen Hohl­ raum, dessen Hohlraumlänge etwa 30 bis 80 Mikrometer beträgt. Diese Hohlraumlänge ist mindestens fünf- oder sechsmal so kurz wie Längen herkömmlicher optischer Hohlräume. Die Moden­ selektivität der Kurzhohlraumlaser resultiert aus einer viel größeren Längsmoden-Separierung und einer größeren Ver­ stärkungsdifferenz zwischen benachbarten Moden als in her­ kömmlichen Lasern. Kurzhohlraumlaser sind beschrieben in den Artikeln von T. P. Lee u. a., IEEE J. Quantum Electron., Yol. QE-18, S. 1101 (1982) und C. A. Burrus u. a., Electron, Lett., Vol. 17, S. 954 (1981).

Laser mit externem Hohlraum bestehen aus einer Kombination eines langen optischen Hohlraums, einem Laser mit Spaltflächen und einem externen Reflektor. Der Reflektor und eine Spalt-Facette des Lasers bilden einen externen Hohlraumreso­ nator, der im allgemeinen annähernd so lang ist wie der opti­ sche Hohlraum des Lasers. In dem externen Hohlraumresonator treten Beugungsverluste auf, da das Fortpflanzungsmedium Luft ist. Die Modenselektivität dieser Kombination resul­ tiert aus der Modulation der Dämpfung in dem den Laser und den externen Hohlraumresonator einschließenden gekoppelten Resonator als Funktion der Frequenz. Laser mit externem Hohlraum sind beschrieben in den Artikeln von K. R. Preston u. a., Electron. Lett., Vol. 17, S. 931 (1981); D. Renner u. a., Electron. Lett., Vol. 15, S. 73 (1979); C. Voumard u. a., Opt. Commun., Vol. 13, S. 130 (1975); D. A. Klein­ mann u. a., BSTJ, Vol. 41, S. 453 (1962); und T. Kanada u. a., Optics Communications, Vol. 31, 1979, No. 1, S. 81-84.

Aus dem DE-Buch: Röss, D.: Laser, Lichtverstärker und Oszilla­ toren, Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt 1966, S. 244-253 ist es bekannt, einen Resonator großer Länge zu koppeln mit einem Resonator geringer Länge, wobei der lange Resonator das aktive Material enthält.

Doppelabschnitt- und andere Mehrfachabschnitt-Laser verwen­ den eine entsprechende Anzahl von monolithischen Laserhohl­ räumen, die aneinander angrenzen. Bei dieser Art von Laser sind die Hohlräume Wellenleiterzonen, die über einen Vorstrom steuerbar sind. Bei Doppelabschnitt-Lasern beste­ hen die Abschnitte im allgemeinen aus einem langen und einem kurzen Abschnitt. Die Modenselektivität ergibt sich aus der Modulation der Dämpfung der Laserhohlräume als Funktion der Frequenz. Mehrfachabschnitt-Laser sind beschrieben in der US-PS 33 03 431 und in Artikeln von L. A. Coldren u. a., App. Phys. Lett., Vol. 38, S. 315 (1981); K. J. Ebeling u. a., Electron. Lett., Vol. 18, S. 901 (1982); und L. A. Coldren u. a., IEEE J. Quantum Elect. Vol. QE-18, S. 1679 (1982).

In sämtlichen der oben klassifizierten Laser ergibt sich aufgrund der dynamischen Spektralkennlinien des Lasers das Problem, einen wirksamen Einzel-Längsmoden-Betrieb unter Hochgeschwindigkeits-Modulationsbedingungen zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gekoppelten Kurzhohlraumlaser der eingangs genannten Art anzugeben, der einen wirksamen Einzel-Längsmoden-Betrieb unter Hochgeschwin­ digkeits-Modulationsbedingungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein III-V-Hetero­ struktur-Injektionslaser mit einer Hohlraumlänge zwischen 50 und 80 Mikrometer gekoppelt mit einem kurzen exter­ nen Hohlraumresonator, der eine Länge zwischen 30 und 80 Mikrometern besitzt. Der kurze externe Hohlraumresonator wird gebildet durch eine Spalt-Facette des Injektionslasers sowie eine reflektierende Fläche, die von der Spalt-Facette mit Ab­ stand angeordnet ist und dieser gegenüber liegt. Allgemein steht die Länge des Laserhohlraums in Beziehung zu der Län­ ge des externen Hohlraumresonators nach Maßgabe der Gleichung nL = md, wobei nL die effektive optische Länge des Injek­ tionslasers, n der Brechungsindex der Leitungszone des In­ jektionslasers bei der interessierenden Wellenlänge, L die physi­ kalische Länge des Injektionslasers, d die Länge des exter­ nen Hohlraumresonators und m eine positive Zahl, vorzugs­ weise zwischen 2 und 10, ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines kurzen gekoppel­ ten Hohlraumlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Beitrags der Kompo­ nenten eines herkömmlichen Langhohlraumlasers, zum Ausgangsmodenspektrum beim Schwellen­ wert,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Beitrags der Kompo­ nenten eines Kurzhohlraumlasers, zum Aus­ gangsmodenspektrum beim Schwellenwert,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Beitrags der Kompo­ nenten eines herkömmlichen Lasers mit externem Hohl­ raum zum Ausgangsmodenspektrum beim Schwellenwert, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Beitrags der Kompo­ nenten des kurzen gekoppelten Hohlraumlasers gemäß der Erfindung zum Ausgangsmodenspektrum beim Schwellenwert.

Wie in den Fig. 1 und 5 dargestellt ist, handelt es sich bei der Erfindung um einen gekoppelten Kurzhohlraumlaser zur Erreichung und Aufrechterhaltung eines Einzel-Längsmodenbe­ triebs sowohl unter Dauerstrich- als auch unter Hochgeschwin­ digkeits-Modulations-Bedingungen. Während die nachfolgende Beschreibung den bevorzugten Einsatz von Strominjektion zum Anregen des Lasers darstellt, so ist dem Fachmann klar, daß auch optische Quellen beim Pumpbetrieb des Lasers verwendet werden können.

Der kurze gekoppelte Hohlraumlaser ist in Blockdiagrammform in Fig. 1 gezeigt. Erfindungsgemäß enthält der kurze ge­ koppelte Hohlraumlaser eine Stromquelle 10, einen Kurzhohl­ raumlaser 20 und eine reflektierende Fläche 30. Die Strom­ quelle 10 liefert einen Strom, um die aktive Zone des Kurz­ hohlraumlasers 20 zu pumpen. Bei dem Kurzhohlraumlaser 20 handelt es sich typischerweise um einen Kurzhohlraum-Halb­ leiterlaser mit einer effektiven optischen Länge nL, wobei n der Brechungsindex der Leitungszone des Kurzhohlraumlasers 20 bei der interessierenden Wellenlänge und L die physikali­ sche Länge des Kurzhohlraumlasers 20 ist. Durch den Kurzhohl­ raumlaser 20 werden Lichtquanten 25 erzeugt, die durch eine von zwei parallelen Spiegelfacetten 21, 22 des Kurzhohlraum­ lasers 20 in Richtung auf die reflektierende Fläche 30 austre­ ten. Die reflektierende Fläche 30 ist von der einen Spiegel­ facette 22 des Kurzhohlraumlasers 20 mit Abstand positioniert, so daß mindestens ein Teil der Lichtquanten 25 in Richtung des Kurzhohlraumlasers 20 zurückreflektiert wird. Die eine Facette 22 des Kurzhohlraum­ lasers 20 und die reflektierende Fläche 30 bilden einen externen Hohlraumresonator der Länge d. Die Länge d des ex­ ternen Hohlraumresonators steht zu der effektiven optischen Länge des Kurzhohlraumlasers 20 gemäß der Gleichung nL = md in Beziehung, wobei m eine positive Zahl ist. Die Optimie­ rung eines Wertes und eines Wertebereichs für m wird unten näher beschrieben. Es sollte dem Fachmann jedoch klar sein, daß die reflektierende Fläche 30 und beide Facetten des Kurzhohlraumlasers 20 einen gekoppelten Resonator bilden.

InGaAsP/InP-Doppelheterostruktur-Injektionslaser mit Spaltfacetten und Streifengeometrie lassen sich zur Ver­ wendung als Kurzhohlraumlaser 20 anpassen. Es eignen sich auch andere III-V-Halbleiterlaser mit gespaltenen oder ge­ ätzten Facetten für den Kurzhohlraumlaser 20. Als Beispiele, die keinerlei beschränkenden Charakter haben, seien folgende Typen für Kurzhohlraumlaser angegeben: Streifengeometrie-V- Nt-(vergrabene Sichelform), Steg- und vergrabene Heterostrukturlaser aus den InP- oder GaAs-Legierungen und ihren Derivaten. Ungeachtet des für den Kurzhohlraumlaser 20 ausgewählten Lasertyps sollte beachtet werden, daß die Laserhohlraumlänge L kleiner als 100 Mikrometer ist, vor­ zugsweise zwischen 50 und 80 Mikrometer liegt.

Die reflektierende Fläche 30 wird hergestellt, indem ein stark reflektierendes Material in eine ebene oder gekrümmte Form gebracht wird. In einem Beispiel sind auf eine Spalt-Facette eines Halbleitermaterials zur Bildung einer fla­ chen (ebenen) reflektierenden Fläche 30 Gold aufgedampft. In einem anderen Beispiel werden reflektierende Flächen gebil­ det, indem ein Ende einer optischen Faser mit einem reflek­ tierenden Material überzogen wird oder kugelförmige, para­ bolische oder andere konkave Oberflächen mit hohem Reflexions­ vermögen hergestellt werden. Die reflektierende Fläche 30 ist im Fall einer flachen reflektierenden Fläche senkrecht zur Laserlängsachse angeordnet. Das heißt, die flache reflektierende Fläche liegt im wesentlichen pa­ rallel zur externen Spiegelfacette des Kurzhohlraumlasers 20. Es ist wünschenswert, die reflektierende Fläche 30 permanent auf derselben Unterlage oder demselben Substrat wie den Kurzhohlraumlaser 20 zu montieren.

Bei dem kurzen gekoppelten Hohlraumlaser wird eine gute Längsmoden-Selektion erzielt, indem die größte und steilste Modulation der Resonatordämpfung als Funktion der Fre­ quenz verwendet wird, da dies dazu beiträgt, die Dämpfungs­ differenz zwischen benachbarten Moden zu maximieren. Wenn die Verstärkungsspitze des Kurzhohlraumlasers 20 in der Nähe eines Dämpfungsminimums liegt, schwingt der entsprechende Mode sehr stark, während die benachbarten Moden unterdrückt werden. Im allgemeinen läßt sich dieses Verhalten steuern, indem ein geeigneter Wert für m gewählt wird oder - alterna­ tiv - die Länge d des externen Hohlraumresonators in entspre­ chender Weise ausgelegt wird.

Ein kleiner Wert für m, z. B. 2 oder 3, führt zu einer Dämpfungsmodulationsperiode von jeweils zwei oder drei Moden mit einer beträchtlich großen Modulationsneigung. Es sollte jedoch beachtet werden, daß es zahlreiche Modulationsperioden unter der Verstärkungskurve für den Kurzhohlraumresonator 20 gibt, die ein Schwingen mehrerer beabstandeter Moden verur­ sachen. Auf der anderen Seite garantiert ein großer Wert von m, z. B. 10 oder 12, daß unter der Verstärkungskurve des Kurzhohlraumlasers 20 nur eine Modulationsperiode liegt. In diesem Fall ist die sich ergebende Modulationsneigung klein, wodurch die Schwingneigung benachbarter Moden gemeinsam mit dem dominierenden, eine minimale Dämpfung aufweisenden Moden erhöht wird. Angesichts der obigen Betrachtungen liegt der Wert von m zwischen 2 und 10, vorzugsweise zwischen 3 und 8, abhängig von den Betriebsbedingungen und der Einhüllenden der Verstärkungskurve des Kurzhohlraumlasers 20. Demzufolge beträgt die gewünschte Länge des externen Hohlraumresonators weniger als 100 Mikrometer, vorzugsweise liegt sie zwischen 30 und 80 Mikrometer. Während Änderungen entweder der Länge d des externen Hohlraumresonators oder der Länge L des Kurz­ hohlraumlasers angesichts unterschiedlicher Anwendungsfälle notwendig sein können, sollte die kombinierte Länge von externem Hohlraumresonator und Kurzhohlraumlaser, d. h. der Wert d + L, weniger als 200 Mikrometer betragen.

Fig. 2 bis 5 veranschaulichen fortschreitende Verbesserungen beim Einzel-Längsmodenbetrieb. Diese Verbesserungen werden erreicht, indem von einem herkömmlichen Langhohlraumlaser (einige hundert Mikrometer lang) gemäß Fig. 2 ausgehend über­ gegangen wird zu einem Kurzhohlraumlaser gemäß Fig. 3, und dann zu einem herkömmlichen Laser mit externem Hohlraum (her­ kömmlicher Langhohlraumlaser, der an einen externen Hohlraum­ resonator gekoppelt ist) gemäß Fig. 4, wobei schließlich ge­ mäß Fig. 5 der erfindungsgemäße kurze gekoppelte Hohlraum­ laser anschließt. Wie in diesen Figuren dargestellt ist, sind die Verläufe der Laserverstärkung ungeachtet des Lasertyps, d. h. langer oder kurzer Hohlraum, im wesentlichen identisch. Außerdem wurden in den Fig. 4 und 5 die Dämpfungskurven für den gekoppelten Resonator in bezug auf eine feste Bezugs­ linie (gestrichelte Linie in den Fig. 2 bis 5) gezeichnet, und die Periode der Dämpfungskurve jedes gekoppelten Resona­ tors bestimmt sich durch Auswahl von beispielsweise m = 6. Δ g repräsentiert die Nettoverstärkung oder Amplitudendiffe­ renz zwischen dem Mittelmode und der benachbarten Mode. Die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Längsmoden-Spektren zeigen die über unterschiedlichen optischen Frequenzen aufgetragenen Ausgangsamplituden für jeden speziellen Laser, der in der Nähe des Schwellenwerts arbeitet.

Die effektive Modenunterdrückung hängt ab von Δ g. Für den kurzen gekoppelten Hohlraumlaser ist Δ g groß und ermöglicht dadurch ein starkes Schwingen der dominierenden Mittelmoden, während sämtliche andere Moden während des Betriebs ober­ halb des Schwellenwerts unterdrückt werden. Aus praktischer Erfahrung hat sich gezeigt, daß im Dauerstrichbetrieb des kurzen gekoppelten Hohlraumlasers bei etwa dem 1,4fachen des Schwellenwerts eine Modenunterdrückung von mehr als 20 dB, d. h. Einzel-Längsmodenbetrieb, eintrat.

Claims (6)

1. Halbleiterlaser mit einem externen Hohlraumresonator, bei dem der Halbleiterlaser (20) eine erste (22) und eine dazu im Abstand (L) parallel angeordnete zweite Facette (21) aufweist, und mit einer mit Abstand von der ersten Facette (22) des Halb­ leiterlasers (20) und in vorbestimmtem Abstand (d) von der Facette angeordneten reflektierenden Fläche (30), wobei die reflektierende Fläche (30) und die erste Facette (22) zwischen sich den externen Hohlraumresonator bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (20) ein Kurzhohlraum-Halbleiterlaser ist, und daß die gemeinsame Länge (L + d) von Halbleiterlaser (20) und externem Hohlraumresonator weniger als 200 Mikrometer be­ trägt, wobei die Länge (L) des Halbleiterlasers (20) mindestens 50 Mikrometer und die Länge (d) des externen Hohlraumresonators mindestens 30 Mikrometer betragen und die optische Länge des Halbleiterlasers (20) größer ist als diejenige des externen Hohlraumresonators.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (d) des externen Hohlraumresonators weniger als 100 Mikrometer beträgt.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (d) des externen Hohlraumresonators weniger als 80 Mikrometer beträgt.

4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Kurzhohlraum-Halbleiterlasers (20) weniger als 100 Mikrometer beträgt.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Kurzhohlraum-Halbleiterlasers (20) weniger als 80 Mikrometer beträgt.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzhohlraum-Halbleiterlaser (20) eine wirksame optische Länge nL und der externe Hohlraumresonator eine Länge d auf­ weist und daß nL etwa so groß ist wie md, wobei m eine posi­ tive Zahl zwischen 2 und 10 ist.