NL8400585A - Kort-gekoppelde trilholtelaser. - Google Patents

Description

» * VO 6083 KOrt-gekoppelde trilholtelaser.

De uitvinding heeft betrekking op het gebied van halfgeleider lasers en meer in het bijzonder op de CW en snelle enkelvoudige longitudinale moduswerking van een gekoppelde korte-trilholtelaser.

Bedrijfskarakteristieken van injectielasers bij modu-5 latie met grote snelheid zijn van belang bij communicatiestelselS met optische vezels. Karakteristieken, welke van bijzonder belang zijn voor een vezeloverdracht met brede band en enkelvoudige longitudinale modus zijn het dynamische spectraalgedrag, zoals frequentie "chirping" en overgangsversterkingspiekverschuiving in het overgangsgebied en spectraal 10 omhullende verbreding bij· het optreden van meervoudige longitudinale modes. De regeling van deze dynamische spectraalkarakteristieken en anderen zijn van belang voor het verkrijgen van een voldoende moduskeuze ' voor een enkelvoudige longitudinale moduswerking bij hoge snelheid.

Er is een aantal benaderingen bekend voor het veria krijgen van longitudinale moduskeuze bij lasers. De benaderingen, waarbij het gebruik van een ingebouwd rooster voor terugkoppeling wordt uitgesloten, zijn de volgende: korte-trilholtelaser, uitwendige-trilhol-telaser en twee-sectie-(gekoppelde trilholte)laser. Elke benadering zal hierna meer gedetailleerd worden beschreven.

20 Bij korte-trilholtelasers wordt gebruik gemaakt van een optische trilholte, die een trilholtelengte van bij benadering 30 tot 80 micron heeft. Deze trilholtelengte is tenminste 5 of 6 maal kleiner dan de conventionele optische trilholtelengten. Modusselectiviteit van de korte-trilholtelaser ontstaat uit een veel grotere longitudinale mo- 25 dusscheiding en een groter versterkingsverschil tussen naast elkaar gelegen modes dan bij conventionele lasers. Korte-trilholtelasers zijn beschreven in artikelen van T.P. Lee en andere, IEEE J. Quantum Electron., QE-18, pag. 1101 (9182) en C.A. Burrus en andere, Electron. Lett., vol.

17, pag. 954 (1981).

30 üitwendige-trilholtelasers omvatten een combinatie van een lange optische trilholte, gekloofde laser en een uitwendige reflector. De reflector en een gekloofde facet van de laser vormen een uit-wendige-trilholteresonator, die in wezen bij benadering evenlang is als 8 4 i) ö 5 3 5 * *· 2 de optische trilholte van de laser. In de uitwendige-trilholteresonator treden de fractieverliesen op omdat het voortplantingsmedium uit lucht bestaat. De modusselectiviteit van deze combinatie ontstaat uit een modulatie van de demping in de gekoppelde resonator, welke de laser 5 en de uitwendige-trilholteresonator omvat als een functie van de frequentie. Uitwendige-trilholtelasers zijn beschreven in artikelen van K.R. Preston e.a., Electron. Lett., vol. 17, pag. 931 (1981); D. Renner e.a., Electron Lett., vol. 15, pag. 73 (1979); C. Voumard e.a., Opt. Commun., vol. 13, pag. 130 (1975); en D.A. Kleinman e.a., BSTJ, vol. 41, pag. 453 { 10 (1962).

Lasers met twee secties en andere laders met een aantal secties maken gebruik van een overeenkomstig aantal monolitische laser-trilholten, die tegen elkaar stuiten. Bij dit type laser bestaan de trilholten uit golfgeleidergebieden, die via een ruststroom regelbaar 15 zijn. In het algemeen bestaan bij lasers met twee secties de secties uit een lange sectie en korte sectie. De modusselectiviteit is een gevolg van de modulatie van de demping van de lasertrilholten als een functie van de frequentie. Meervoudige-sectielasers zijn beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.303.431 en in artikelen van L.A.

20 Coldren e.a., Appl. Phys. Lett., vol. 38, pag. 315 (1981); K.J.

Ebeling e.a., Electron Lett., vol. 18, pag 901 (1982); Coldren e.a., IEEE J. Quantum Elect., QE-18, pag. 1697 (1982).

Bij alle boven opgesomde lasers doen zich problemen voor bij het verkrijgen van een doeltreffende enkelvoudige longitudi-25 nale moduswerking bij modulatie-omstandigheden met grote snelheid in verband met de dynamische spectraaleigenschappen van de lasers.

Men verkrijgt bij CW en snelle (gigahertz) modulatie-omstandigheden een enkelvoudige longitudinale moduswerking en onderhoudt deze door een korte gekoppelde trilholtelaser voorzien van een half-30 geleiderlaser met korte trilholte, welke is voorzien van twee evenwijdige spiegelfacetten en een reflecterend oppervlak, dat zich op een afstand bevindt van en in een voorafbepaalde relatie staat tot één van de spiegelfacetten. Tussen de ene spiegelfacet en het reflecterende oppervlak wordteenuitwendige-trilholteresonantor gevormd.

35 Bij een .uitvoeringsvorm volgens de uitvinding is een III - V-heterostructuur-injectielaser met een trilholtelengte tussen 50 0400585 3 ' en 80 micron gekoppeld met een korte uitwendige-trilholteresonator met een lengte tussen 30 en 80 micron. De korte uitwendige-trilholteresonator omvat één gekloofde facet van de injectielaser en een reflecterend oppervlak, dat zich op een afstand bevindt van de gekloofde facet en naar 5 deze facet is gekeerd. In het algemeen is de lasertrilholtelengte met de uitwendige-trilholteresonatorlengte gerelateerd door de vergelijking nL = md, waarbij nL de effectieve optische lengte van de injectie-laser is, n de brekingsindex van het geleidingsgebied van de injectie-laser bij de van belang zijnde golflengte is, L de fysische lengte van 10 de injectielaser is, d de lengte van de uitwendige-trilholteresonator is, en m een positief getal is, dat bij voorkeur tussen 2 en 10 is gelegen.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: 15 fig. 1 een vereenvoudigd blokschema van een korte gekoppelde-trilholtelaser volgens de uitvinding; fig. 2 grafisch de bijdrage van componenten van een conventionele lange-triiholtelaser aan het uitgangsmodusspectrum daarvan bij de drempelwaarde; 20 fig. 3 is grafisch de bijdrage van componenten van een korte-trilholtelaser aan het uitgangsmodusspectrum daarvan bij de drempelwaarde; fig. 4 grafisch de bijdragen van componenten van een conventionele uitwendige-trilhoItelaser aan het uitgangsmodusspectrum 25 daarvan bij de drempelwaarde; en fig. 5 grafisch de bijdrage van componenten van de korte gekoppelde-trilholtelaser, die volgens de uitvinding is opgebouwd, aan het uitgangsmodusspectrum daarvan bij de drempelwaarde.

Zoals aangegeven in de fig. 1 en 5 voorziet de uitvin-30 ding in een gekoppelde korte-trilholtelaser voor het verkrijgen en onderhouden van een enkelvoudige longitudinale moduswerking onder zowel CW- als snelle modulatieomstandigheden. Ofschoon de hierna volgende omschrijving het voorkeursgebruik van stroominjectie voor het exciteren van de laser toont, is het voor de vakman duidelijk, dat men optische 35 bronnen kan gebruiken voor het pompen van de laser.

De korte gekoppelde-trilholtelaser is in vereenvoudigde 8400385 4 blokschemavorm weergegeven in fig. 1. Volgens de uitvinding omvat de korte gekoppelde-trilholtelaser een stroombron 10, een korte-trilholte-laser 20 en een reflecterend oppervlak 30. De stroombron 10 levert'-.een stroom voor het pompen van het actieve gebied van de korte-trilholte-5 laser 20. De korte-trilholtelaser 20 is meer in het bijzonder een half-geleidende korte-trilholtelaser met een effectieve optische lengte nL, waarbij n de brekingsindex van het geleidingsgebied van de korte-trilholtelaser 20 bij de van belang zijnde golglengte en L de fysische lengte van de korte-trilholtelaser 20 is. Door de korte-trilholtelaser 20 10 worden lichtguanta 25 opgewekt, welke via een van twee evenwijdige spiegelfaoetten 21, 22 van de korte-trilholtelaser 20 naar het reflecterende oppervlak 30 uittreden. Het reflecterende oppervlak 30 bevindt zich op een afstand van en is op een geschikte wijze opgesteld ten opzichte van één spiegelfacet 22 van de korte-trilholtelaser 20, zodat tenminste 15 een gedeelte van de lichtquanta 25 naar de korte-trilholtelaser 20 wordt teruggekaatst. Eén facet 22 van de korte-trilholtelaser 20 en het reflec-rende oppervlak 30 vormen een uitwendige-trilholteresonator met een lengte d. De uitwendige-trilholteresonatorlengte d is met de effectieve optische lengte van de korte-trilholtelaser 20 gerelateerd door de verge-... 20 lijking nL = md, waarbij m een positief getal is. Het optimaal maken van een waarde en een waardegebied voor m wordt hieronder meer gedetailr ; leerd beschreven. Het is voor de vakman duidelijk, dat het reflecterende oppervlak 30 en de beide facetten van de korte-trilholtelaser 20 een jge-koppelde jresónator vormen.

25 Uit InGaAsP/lnP bestaande injectielasers met dubbele heterostructuur, strookgeometrie en gekloofd facet, zijn bestemd om te worden toegepast voor de korte-trilholtelaser 20. Andere halfgeleider-lasers van de groep III - V met gekloofde of geëtste facetten zijn eveneens geschikt om voor de korte-trilholtelaser 20 te worden toegepast.

30 Ter illustratie en niet in beperkende zin zijn bijvoorbeeld gekozen typen van korte-trilholtelasers heterostructuurlasers met strookgeometrie, v-groef (begraven halvemaan), ribgeometrie en verschillende begraven lasers uit de InO of GaAs-legeringen en de derivaten daarvan. Onafhankelijk van het type laser, dat voor de korte-trilholtelaser 20 35 wordt gekozen, wordt opgemerkt, dat de lasertrilholtelengte L kleiner is dan 100 micron en bij voorkeur tussen 50 en 80 micron ligt.

8400585 · 5

Het reflecterende oppervlak 30 wordt verkregen door een sterk reflecterend materiaal tot of op een planaire of gebogen configuratie te brengen» Bij één voorbeeld wordt goud op een gekloofde facet van halfgeleidermateriaal opgedampt voor het vormen van een vlak 5 (planair) reflecterend oppervlak 30. Andere bij wijze van voorbeeld gekozen reflecterende oppervlakken worden gevormd door één uiteinde van een optische vezel met reflecterend materiaal te bekleden of sfe-rische of parabolische of andere concave oppervlakken met grote reflec-tiviteit te verschaffen. Het reflecterende oppervlak 30 wordt in het 10 geval van een plat reflecterend oppervlak loodrecht op de lengteas van de lichtquanta 25 gecentreerd. D.w.z., dat het platte reflecterende oppervlak in hoofdzaak evenwijdig is aan de uitwendige spiegelfacet van de korte-trilholtelaser 20. Het is gewenst het reflecterende oppervlak 30 permanent op hetzelfde plateau of dezelfde substraat als de 15 korte-trilholtelaser 20 te monteren.

Bij de korte-gekoppelde-trilholtelaser wordt een goede longitudinale moduskeuze verkregen door de grootste en steilste modulatie van de resonatordemping als functie van de frequentie te gebruiken omdat hierbij het dempingsverschil tussen naast elkaar gelegen modes 20 de neiging heeft maximaal te zijn. Xndien versterkingspiek van de korte-trilholtelaser 20 bij een dempingsminimum wordt gelegd, oscilleert de overeenkomstige modus sterk, terwijl . nabij gelegen modes worden onderdrukt. In het algemeen worden deze eigenschappen bestuurd door een geschikte waarde voor m te kiezen of door de lengte d van de uitwen-25 dige-trilholteresonator op de juiste wijze te kiezen.

Ben kleine waarde voor m, zoals 2 .of 3, leidt tot een dempingsmodulatieperiode van elke twee of drie modes met een in-hoofd- . zaak grote modulatiehelling. Er dient evenwel op gewezen te worden, dat er onder de versterkingskromme voor de korte-trilholtelaser 20 een 30 aantal modulatieperioden aanwezig kan zijn, welke een oscillatie van verschillende verwijderde modes kunnen veroorzaken. Anderzijds garandeert een grote waarde van m, zoals 10 of 12, dat er slechts één modula-tieperiode onder de versterkingskromme voor de korte-trilholtelaser 20 aanwezig is. In dit geval is de resulterende modulatiehelling gering, 35 waardoor de kans op oscillatie bij naastgelegen modes tezamen met de dominante modus met minimale demping wordt vergroot. Gezien de boven- 8400535 6 staande overwegingen ligt de waarde van m tussen 2 en 10 en bij voorkeur tussen 3 en 8, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden en de omhullende van de versterkingskromme voor de korte-trilholtelaser 20. Derhalve is de gewenste lengte van de uitwendige-trilholteresonator minder 5 dan 100 micron en ligt deze bij voorkeur tussen 30 en 80 micron. Ofschoon varities van zowel de uitwendige-trilholteresonatorlengte d als de korte-trilholtelaserlengte L voor verschillende toepassingen nodig kunnen zijn, dienen de gecombineerde lengten van de uitwendige-trilholteresonator en de korte-trilholtelaser d.w.z. d + L minder dan 10 *200 micron te bedragen.

De fig. 1 tot en met 5 tonen progressieve verbeteringen in de enkelvoudige longitudinale moduswerking, welke wordt verkregen door over te gaan van een conventionele langetrilholtelaser (een lengte van enige honderden micron) in fig. 2 naar een korte-trilholte-15· laser volgens fig. 3 en vervolgens naar een conventionele uitwendige-trilholtelaser (een conventionele lange-trilholtelaser gekoppeld met een uitwendige-trilholteresonator) in fig. 4 en tenslotte naar de korte--gekoppelde-trilholtelaser van fig. 5 volgens de uitvinding. Zoals in deze figuren is aangegeven,‘ zijn de laserversterkingskrommen in hoofd-20 zaak identiek onafhankelijk van het type laser d.w.z. een lange of korte trilholte. Bovendien zijn in fig. 4 en 5 de gekoppelde-resonator-dempingskrommen getekend op een plaats ten opzichte van een vaste referentielijn (stippellijn in fig. 2-5) en wordt de periode van elke gekoppelde-resonatordempingskromme bepaald door m bijvoorbeeld gelijk 25 aan 6 te kiezen. Ag stelt de netto-versterking of het amplitudeverschil tussen de centermodus en de naastgelegen modus voor. De longitudinale modusspectra, als aangegeven in de fig. 2 tot en met 5, tonen uitgangs-amplitude-versus-optische-frequentievariaties voor elke bepaalde laser, die bij de drempelwaarde werkt.

30 De effectieve modusonderdrukking is afhankelijk van Ag.

Voor de korte gekoppelde-trilholtelaser is Ag groot, waardoor een sterke oscillatie van de dominante centrale modus wordt toegelaten terwijl alle andere modes tijdens de werking boven de drempelwaarde worden onderdrukt. Uit proeven is gebleken, dat een CW-werking van de korte gekoppelde-tril-35 holtelaser bij bij benadering 1,4 maal de drempelwaarde leidt tot een modusonderdrukking van meer dan 20 dB, d.w.z. een enkelvoudige longitudinale moduswerking.

8 4 0 0 5 8 5

Claims (7)

1. Gekoppelde trilholtelaser voorzien van een halfgelei- derlaser met eerste en tweede in hoofdzaak evenwijdige facetten voor het opwekken van lichtquanta in responsie op een toegevoerd signaal, waarbij de lichtquanta het eerste facet van de laser exciteren, met 5 het kenmerk, dat de halfgeleiderlaser een halfgeleidende korte-tril-holtelaser (20) is, en een reflecterend oppervlak (30) aanwezig is, dat zich op een afstand van en in een voorafbepaalde relatie ten opzichte van de facet (22) van de halfgeleiderlaser (20) bevindt, een en ander zodanig, dat het reflecterende oppervlak (30) en de eerste facet (22) 10 daartussen een uitwendige-trilholteresonator vormen, waarbij de gecombineerde lengte (L + d) van de halfgeleiderlaser (20) en de uitwendige-trilholteresonator minder dan 200 micron bedraagt.

2. Laser volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitwendige-trilholteresonator een lengre d heeft, welke minder dan 100 15 micron bedraagt.

3. Laser volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de lengte d van de uitwendige-trilholteresonator tussen 30 micron en 80 micron is gelegen.

4. Laser volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 20 halfgeleidende korte-trilholtelaser (20) en de uitwendige-trilholteresonator een gecombineerde lengte hebben, welke kleiner is dan 200 micron.

5. Laser volgens een van de voorgaande conclusies met het nmerk, dat de halfgeleidende korte-trilholtelaser (20) een lengte (L) 25 heeft, welke kleiner is dan 100 micron.

6. Laser volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de lengte L tussen 50 en 80 micron is gelegen.

7. Laser volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de halfgeleidende korte-trilholtelaser (20) een effectieve 30 optische lengte nL heeft, de uitwendige trilholteresonator een lengte d heeft, en de relatie tussen de beide lengten, nL, in hoofdzaak gelijk is aan md, waarbij m een positief getal tussen 2 en 10 is. 54 5 ? * M