СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2000 года по МПК H01S5/68 

Описание патента на изобретение RU2153215C1

Область техники
Настоящее изобретение относится к лазерам и, в частности - к лазерам со стабильным по частоте излучением.

Предшествующий уровень техники
Известны способы обеспечения частотного регулирования лазеров. Также известны оптические системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Указанные способы используются в различных лазерах, включая газовые лазеры, лазеры на красителе и твердотельные лазеры, для обеспечения стабилизации частоты и сужения ширины спектральной линии излучения в лабораторных условиях. Ширина линии, как термин, используемый специалистами, относится ко всему спектральному содержимому выходного сигнала лазера, т.е. частотному спектру, а не к какому-либо ограничению разрешающей способности, например, линий/мм оптической системы.

Использование оптической ФАПЧ обычно ограничивалось системами, содержащими лазерные резонаторы, спектральная характеристика которых характеризуется одной частотой относительно узкой ширины линии. Таким образом при использовании известной оптической ФАПЧ передаточная функция оптической системы, содержащей лазерный резонатор, обычно должна обеспечивать адекватную фильтрацию, чтобы выбрать индивидуальный спектральный признак для усиления при ослаблении частот Фурье, на которых может появиться остаточный лазерный фазовый шум. С другой стороны, характерная особенность монолитных полупроводниковых лазеров, связанная с широким разбросом ширины линий излучения, существенно затрудняет регулирование с обратной связью таких устройств. Таким образом, подавляющее большинство исследователей отказались от монолитных конструкций, чтобы уменьшить свободный спектральный диапазон полупроводникового лазерного резонатора.

Ключевой доктриной известных систем было убеждение в том, что активное устройство, содержащее лазерный резонатор, должно проявлять высокую степень когерентности. Таким образом, когда свободный спектральный диапазон оптического резонатора увеличивается, ширина резонансной полосы должна быть соответственно уменьшена, чтобы обеспечить адекватную фазовую стабильность для реализации известных систем оптической ФАПЧ. В некоторых случаях это может быть выполнено путем дальнейшего увеличения добротности (finesse) резонатора или путем использования усилительной среды лазера, в которой энергетическое состояние, стимулирующее излучение, является адекватно метастабильным для требуемого подавления фазового шума.

Стабилизация лазера обычно достигается направлением части выходного сигнала лазера в пассивный оптический резонатор, который резонирует на конкретно определенном ряде частот, не зависящих от частоты лазера, а частота лазера поддерживается на одной резонансной частоте посредством осуществления регулирования с обратной связью. Если коэффициенты отражения зеркал, содержащих резонатор, очень высоки (низкие потери), то резонатор рассматривается как резонатор с высокой добротностью. Математически добротность - это просто свободный спектральный диапазон резонатора, деленный на его полную ширину на частотной характеристике полувысоты (спектральная ширина линии). Это свободный спектральный диапазон резонатора, который определяет спектральную ширину линии для данной добротности. Предложен резонатор с высокой добротностью, который также проявляет свойства долговременной стабильности, являющейся важным элементом при регулировании и стабилизации лазеров.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания системы стабилизации лазера, которая применима для полупроводниковых лазеров.

Другой задачей данного изобретения является создание системы регулирования с обратной связью, которая совместима с резонаторами с высокой добротностью, но не зависит от них.

Еще одной задачей данного изобретения является достижение узкой ширины линии, а также долговременной работы полупроводникового лазера со стабильной частотой.

Краткое изложение существа изобретения
Поставленная задача решается тем, что предложен способ частотной стабилизации полупроводникового лазера, в котором фаза лазера определяется по отношению к фазе резонатора (или фазе другого оптического опорного сигнала) и подается обратно в лазер в виде сигнала регулирования частоты. Способ включает шаги определения микроволновой сигнатуры лазерного спектра в гетеродинном тоне биений оптическим смешиванием поля утечки оптического резонатора и частотно-модулированного выходного сигнала полупроводникового лазера в фотодиоде, и определения фазы лазера путем смешивания результирующего микроволнового спектра с подходящим образом настроенным фазовым соотношением с опорным источником частотной модуляции. Способ дополнительно включает шаги фильтрации определенной фазы гетеродинного спектра, масштабирования определенной фазы гетеродинного спектра и модуляции полупроводникового лазера с помощью опорного источника частотной модуляции и масштабированной определенной фазы гетеродинного спектра.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает блок-схему системы стабилизации полупроводникового лазера когерентного оптического приемопередатчика связи, согласно предпочтительному варианту изобретения;
фиг. 2 изображает вариант выполнения оптического резонатора, использующего в качестве опорного резонатора интерферометр Фабри-Перо в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает вариант выполнения оптического резонатора, использующего в качестве опорного резонатора трехэлементный кольцевой резонатор в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает вариант выполнения оптического резонатора, использующего в качестве опорного резонатора волоконный кольцевой резонатор, сохраняющий поляризацию проходящего излучения, в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает схему, содержащую оптоэлектронный входной каскад, имеющий плоскую частотную характеристику в диапазоне от DC (сигнал постоянного тока) до 2,5 ГГц в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 6 изображает схему части усилителя промежуточной частоты (ПЧ усилителя) сервоконтура, включающего сопряжение с лазером через схему согласования импедансов сумматора приемопередатчика, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Блок-схема системы стабилизации лазера 10 в целом показана на фиг. 1. Полупроводниковый лазер 12 модулируется усилителем ПЧ 14, микроволновым (радиочастотным) генератором 16 и сигнальным входом. Хотя полупроводниковый лазер 12 может представлять собой InGaAsP лазер с обратной связью с распределенными параметрами (например, модель 257, выпускаемая AT&T), данное изобретение применимо к любому известному лазеру, включая (но не ограничиваясь ими) лазеры со светодиодом, сформированным путем распределения показателя преломления, и другие типы лазеров со скрытой гетероструктурой. В действительности изобретение продемонстрировало хорошую работу с GaAlAs лазерами, а также с InGaAsP лазерами.

Модуляция полупроводникового лазера 12 сигналом от генератора радиочастоты (РЧ) 16 вызывает модуляцию фазы лазера на частоте генератора РЧ 16. Затем может быть выполнена стабилизация лазера 12, как описано ниже, сигналом обратной связи, объединяемым с сигналом от генератора РЧ 16 в сумматоре 32.

Согласно данному варианту выполнения оптический ответвитель 18 включает оптический элемент с соответствующим коэффициентом связи (ответвления). Оптический ответвитель 18 функционирует как расщепитель луча или частичный отражатель, так что, когда лазерное излучение попадает на оптический элемент, некоторая часть излучения проходит через оптический элемент, а некоторая часть отражается от него. Та часть, которая проходит сквозь оптический ответвитель 18, является полезным сигналом связи, а часть, которая ответвляется или отражается, направляется в оптический резонатор 20 для использования в качестве сигнала обратной связи. Оптический ответвитель 18 может представлять собой зеркало с подходящим оптическим покрытием или пассивное оптоволоконное устройство с подходящим коэффициентом ответвления.

Оптический резонатор 20 может представлять собой интерферометр Фабри-Перо 56 или иметь конфигурацию кольцевого резонатора 74 (фиг. 2) и (фиг. 3) соответственно. На фиг. 4 представлен предпочтительный вариант выполнения, в которым используется волоконно-оптический кольцевой резонатор 86. Для данного изобретения оптический кольцевой ответвитель 84 между входным волокном 82 и волоконно-оптическим кольцом 86 функционирует аналогично входному зеркалу 66 интерферометра Фабри-Перо 56. Поведение резонансных мод волоконно-оптического кольцевого резонатора 86 вполне подобно поведению продольных мод в кольцевом резонаторе 74.

В варианте, изображенном на фиг. 2, где используется интерферометр Фабри-Перо 56, часто желательно, а иногда и обязательно, чтобы между оптическим резонатором 56 и полупроводниковым лазером 12 поддерживалась высокая степень изоляции. В данном варианте указанная изоляция выполняется вращателем Фарадея 60 в сочетании с входной 58 и выходной 62 поляризующей оптикой. Входная поляризующая оптика 58 также выполняет функцию расщепителя пучка с избирательной поляризацией, который направляет сильный сигнал обратной связи на фотодиод 72, содержащий вход в оптоэлектронный входной каскад 22, обеспечивая требуемую изоляцию от полупроводникового лазера 12.

С другой стороны, в варианте изобретения (фиг. 3), в котором используется кольцевой резонатор 74, входное зеркало 76 выполнено со смещенной осью. Такая конструкция обеспечивает повышенную изоляцию между оптическим резонатором 74 и полупроводниковым лазером 12, поскольку отраженный сигнал от входного зеркала 76 вместо лазера 12 направляется на p-i-n фотодиод 72. Таким образом, дополнительно к изоляции резонатора 74 от лазера 12, входное зеркало 76 кольцевого резонатора 74 выполняет вторичную функцию расщепителя луча для сигнала обратной связи.

Для установления в оптическом резонаторе 20 резонансной мощности необходимо согласовать пространственные характеристики лазерного луча с требуемой пространственной модой оптического резонатора 20. Обычно это можно сделать с помощью линзы согласования мод 64.

Хотя резонаторы Фабри-Перо и кольцевые резонаторы 74, 86 полезны при частотной селекции, их разработка и изготовление затруднено, особенно при высокой добротности (например, 50000-100000). Требуются оптические отражающие устройства, имеющие допуски в тысячные доли миллиметра. Также требуются оптические покрытия для зеркал со сверхвысоким коэффициентом отражения и потерями, не превышающими миллионных долей. Часто бывает трудно поддерживать точную ориентацию в течение длительных интервалов времени в условиях неровностей окружающей среды, что типично при применении лазеров в полевых условиях.

В предпочтительном варианте (фиг. 4) объемная оптика 76, 78, 80 кольцевого резонатора 74 заменяется волоконно-оптическими элементами 82, 84, 86. В этом случае устройство оптического ответвителя 84 заменяет входное зеркало 76 (фиг. 3). Другие оптические элементы 78, 80, которые образуют кольцевой резонатор 74, заменяются волокном, сохраняющим поляризацию проходящего излучения (СП волокном) 86. Для реализации варианта в виде, показанном на фиг. 4, важно обеспечить сопряжение с низкими потерями внутри кольцевого ответвителя 84 между входным СП волокном 82 и волоконно-оптическим кольцевым резонатором 86. Любые потери в волоконно-оптическом кольцевом устройстве ответвителя 84 или волоконно-оптическом кольце 86 ухудшают добротность резонатора. Таким образом, используемый оптический кольцевой ответвитель 84 должен обеспечивать относительно низкий коэффициент ответвления (например < 1%) между разветвленными СП волокнами с минимальными дополнительными потерями. Обычно дополнительные потери должны быть значительно меньше, чем коэффициент ответвления, чтобы достичь оптимальных результатов.

Далее следуют окончательные замечания, касающиеся применения волоконно-оптического кольца 86, сохраняющего поляризацию, с оптическим резонатором 20. Чтобы обеспечить работоспособную сборку, важно, чтобы на вход волокна, сохраняющего поляризацию, 82, подсоединенного к волоконно-оптическому резонатору 86, подавалась однородная линейная поляризация. Это можно обеспечить, поместив поляризующий оптический элемент 64 между выходом лазера и входом волокна и сориентировав передаваемую поляризацию в соответствии с главной осью СП волокна (то есть, быстрой или медленной осью), которая таким образом будет поддерживать неразрывность оптической поляризации, когда она распространяется по СП волокну.

Кроме того, необходимо обеспечить, чтобы сросток, который соединяет два конца волокна, сохраняющего поляризацию, образующих кольцевой резонатор 86, также характеризовался высокой степенью неразрывности сохранения поляризации. Это может быть выполнено путем использования высококачественного устройства сращивания плавкой, сохраняющее высокую степень поляризации (например, модель FSM - 20PMII Alcoa-Fujikura), для сращивания вместе двух концов СП волокна, образующих кольцевой резонатор 86. При условии выполнения указанных рекомендаций сборка стабильного оптического резонатора, подходящего для практической реализации данного аспекта изобретения, становится относительно простой.

Как описывалось выше, оптический резонатор 20 может представлять собой волоконно-оптическое устройство (например, ответвленное кольцо 86 из СП волокна) или устройство объемной оптики (например, интерферометр Фабри-Перо 56). Оптический резонатор 20 может быть сконструирован так, чтобы резонировать на соответствующей частоте лазера (например, 230 ГГц) и при подходящей добротности (например, 200) с использованием имеющихся на рынке оптических компонентов. Хотя путем использования оптических компонентов исследовательского класса может быть достигнута более высокая добротность (например, 80000) и хорошее функционирование, предполагается, что изобретение наиболее выгодно и эффективно при применении резонаторов с более низкой добротностью, например, меньше 1000.

Оптоэлектронный входной каскад 22 сопрягается с оптическим резонатором 20 оптической системы через подходящий высокоскоростной фотодетектор. Согласно изобретению, выбирается p-i-n фотодиод 72 (например, модель ETX 60 В EPITAXX). Согласно предпочтительному варианту для усиления выходного сигнала p-i-n фотодиода 72 используется усилитель напряжения, управляемый током (фиг. 5), который обеспечивает усиление по всей ширине полосы сигналов системы связи (например, от 10 МГц до 2,5 ГГц).

На фиг. 5 показана схема оптоэлектронного входного каскада 22. В этом варианте оптический сигнал, содержащийся в оптическом волокне 82, падает на p-i-n фотодиод 72, который подсоединен к входу усилителя напряжения, управляемого током, содержащего транзистор усилителя с общим эмиттером, транзистор 144 эмиттерного повторителя, резистор 134 усилителя напряжения, управляемого током, и резистор 138 понижения напряжения. Транзистор 150 источника тока регулирует падение напряжения на резисторе 152 с потенциалом p-n перехода одного диода ниже напряжения на базе, устанавливаемого делителем напряжения, содержащим резисторы 154 и 156, тем самым регулируя ток через резистор понижения напряжения 138. При условии, если максимальный ток, который протекает через резистор 134 усилителя напряжения, управляемого током (то есть, ток сигнала) много меньше тока, который регулирует падение напряжения на резисторе 138, любые ошибки в параметрах смещения будут малы во всем динамическом диапазоне усилителя.

Фильтр 24, который следует за оптоэлектронным входным каскадом 22, предназначен для ослабления реакции системы обратной связи на модуляцию, производимую сигналом связи (то есть, сигнальным входом) при прохождении модуляции от РЧ генератора 16. Согласно изобретению используется высокочастотный фильтр, который обеспечивает вносимые потери < 1,0 дБ на частоте 1,2 ГГц при обеспечении затухания > 65 дБ на частоте 80 МГц (например, обратный фильтр Чебышева: четыре полюса и четыре нуля в полосе пропускания).

Последующий РЧ усилитель 26 представляет собой каскад из известных широкополосных устройств (например, AWT-2054 Avantek), так же как и фазовый детектор 28 (например, M2GC Watkins-Johnson) и направленный ответвитель 30 (например, 4012С-10 Narda). Наиболее уникальной особенностью РЧ усилителя является то, что коэффициент усиления устанавливается достаточно высоким (например, >90 дБ), чтобы привести среднюю мощность сигнала обратной связи, поступающей на фазовый детектор 28 на частоте РЧ генератора 16, к уровню, который насыщает диоды в фазовом детекторе 28, но не так сильно, чтобы ухудшить отношение сигнал-шум, обеспечиваемое оптоэлектронным входным каскадом 22. Заметим, что фазовый детектор 28 может быть кольцевым балансным смесителем в случае, когда необходимо обеспечить, чтобы ПЧ порт был портом связи по постоянному току, чтобы устройство функционировало как фазовый детектор 28.

Работа фазового детектора 28 сильно зависит от правильного функционирования системы регулирования. Сигнал, который возбуждает РЧ вход в фазовый детектор 28, содержит спектральную плотность мощности фазы лазера. В случае описанного здесь лазерного передатчика 10 сигнал генерируется путем генерации разностной частоты, выполняемой оптическим смешиванием лазера 12 с резонансным оптическим полем оптического резонатора 20. Указанное смешивание имеет место в p-i-n фотодиоде 72.

Имея в виду, что лазер 12 подвергается фазовой модуляции РЧ генератором 16, становится ясным, что РЧ разностная частота, генерируемая в контуре обратной связи на частоте РЧ генератора 16, получается благодаря оптическому смешиванию составляющей фазовой модуляции частотного спектра лазера 12 с составляющей поля утечки, которая была спектрально отфильтрована оптическим резонатором 20. Поскольку частотный спектр спектрально отфильтрованной составляющей из оптического резонатора 20 много уже, чем у необработанного выходного сигнала полупроводникового лазера 12, спектрально отфильтрованный сигнал способен к разрешению большей части тонкой структуры в частотном спектре лазера в сигнале обратной связи внутри p-i-n фотодиода 72. Этот спектр появляется при модуляции фототока, выполняемой в p-i-n фотодиоде 72 на частоте РЧ генератора в виде гетеродинного тона биений.

Таким образом, фаза лазера содержится в фазе РЧ сигнала обратной связи. Фазовый детектор 28 фактически определяет фазу РЧ сигнала, тем самым определяя фазу лазера. Фаза лазера, которая содержится в гетеродинном тоне биений, определяется в фазовом детекторе 28 смешиванием гетеродинного тона биений в квадратуре (сдвиг по фазе 90o) с опорным сигналом от РЧ генератора 16.

К функции фазового детектора 28 относится преобразование определенной фазы в сигнал ошибки постоянного тока соответствующей полярности для выполнения фазовой коррекции в сервовозбудителе (то есть, лазере 12). DC характеристики ПЧ выходного сигнала фазового детектора 28 определяются фазовым соотношением между сигналами на портах ЛГ (локального генератора) и РЧ. Таким образом это фазовое соотношение должно быть отрегулировано так, чтобы получить соответствующую ПЧ характеристику. Такая регулировка может быть выполнена путем подстройки частоты РЧ генератора 16 или путем изменения физической длины линии задержки между направленным ответвителем 30 и ЛГ входом в фазовый детектор 28.

Если фазовое соотношение между входными сигналами ЛГ и РЧ в фазовый детектор 28 было отрегулировано правильно, то сигнал IF имеет явно выраженную биполярную форму в соответствии с частотами лазера в окрестности резонансной моды оптического резонатора 20. Таким образом, если появляется фазовая ошибка, которая возбуждает лазер на более высокой частоте, соответствующее изменение в ПЧ сигнале вызовет возрастание тока светоизлучающего p-n перехода лазера, пока фаза лазера 12 не будет соответствовать фазе оптического резонатора 20. В противном случае, ПЧ сигнал заставит уменьшаться ток светоизлучающего p-n перехода, если фазовая ошибка приводит к излучению лазера на пониженной частоте.

ПЧ усилитель 14 обрабатывает сигнал ошибки от фазового детектора 28 и обеспечивает сопряжение системы обратной связи с лазером 12. Схема, изображающая вариант осуществления отдельных частей ПЧ усилителя и сумматора схемы возбуждения лазера, показана на фиг. 6. В этом варианте ПЧ выход фазового детектора 28 подается на ПЧ вход 90. Высокочастотная часть дуплексного фильтра фильтрует высокочастотную составляющую из определенной фазы гетеродинного тона биений и обеспечивает прямую связь высокочастотной составляющей ПЧ сигнала непосредственно с конечной ступенью ПЧ усилителя через узлы 90, 94, 104. Эта конечная ступень содержит суммирующий усилитель 106, использующий операционный усилитель 106 с токовой обратной связью и фиксацией уровня (например, CLC 502 Comlinear). Такой способ прямой связи позволяет увеличить ширину полосы сигнала, несмотря на уменьшение запаса по фазе из-за дополнительных ступеней ПЧ усиления.

Низкочастотная часть пропускает низкочастотные составляющие Фурье ПЧ сигнала, когда дополнительный имеющийся запас по фазе позволяет ввести дополнительное ПЧ усиление (то есть, масштабирование). В варианте, показанном на фиг. 6, используется однокаскадный усилитель, который включает в себя широкополосный операционный усилитель с большим коэффициентом усиления 100 (например, CLC 422 или CLC 401 Comlinear). Масштабированный выходной сигнал на низких частотах Фурье объединяется с высокочастотными составляющими в узле суммирования 104 операционного усилителя 106.

ПЧ сигнал (то есть, высокочастотная составляющая и масштабированная определенная фаза гетеродинного тона биений) возбуждает ток светоизлучающего p-n перехода лазера через операционный усилитель 106 в сочетании с транзистором 108 эмиттерного повторителя. Этот ток устанавливается входным напряжением, подаваемым в узел 104 операционного усилителя, которое соответствует напряжению на резисторе 110. Коллектор транзистора 108 источника тока согласуется по импедансу с лазером посредством низкочастотной части у узла 112 схемы сумматора 32. Важно отметить, что указанное согласование импедансов должно поддерживаться по всей ширине полосы, которая возможно должна содержать всю ширину полосы усиления операционного усилителя 106.

Сумматор 32 (фиг. 6) функционирует как мультиплексирующий фильтр, который содержит низкочастотную часть 112 (например, от DC до 250 МГц) для ПЧ сигнала и высокочастотную часть 114 (например, от 0,25 до 4,0 ГГц) для ввода сигнала от РЧ генератора 16 через направленный ответвитель 30. Вдобавок к объединению сигналов от РЧ генератора 16 и ПЧ усилителя 14 блок суммирования 32 включает порт ввода сигнала широкополосной высокочастотной характеристики (например, от 0,01 до 2,0 ГГц). В данном варианте как лазер 12, так и резистор 118 включены в согласованную нагрузку, возбуждаемую выходным узлом диплексора 116, но только лазер включен в согласованную нагрузку, соответствующую сигнальному входу 122. Таким образом можно объединять сигналы без интерференции в области перекрытия частотной характеристики. Высокочастотный фильтр 124 подает сигнал связи на лазер 12, а низкочастотная часть 112 диплексора 116 подает на лазер 12 ПЧ сигнал обратной связи. Все вышеупомянутые сигналы могут таким образом объединяться и вслед за этим модулировать лазер 12 без ухудшения рабочих характеристик лазера из-за воздействия какого-либо источника. Модулированный оптический выходной сигнал подается в оптическое волокно 134, которое таким образом содержит оптический выходной сигнал когерентного лазерного передатчика.

Полупроводниковый лазер (подчиненный лазер) 36 выполняет функцию локального генератора в когерентном гомодинном или гетеродинном оптическом приемнике. Сервосистема, которая управляет полупроводниковым лазером (подчиненным лазером) 36, фактически идентична системе, которая осуществляет регулировку лазера передатчика 12 за главным исключением, состоящим в том, что лазер локального генератора 36 не использует оптический резонатор 20 для получения РЧ сигнала ошибки в гетеродинном оптическом смешанном спектре. Кроме того, частота РЧ генератора 40 должна быть отделена от частоты РЧ генератора 16 по меньшей мере на двойную полную ширину полосы ПЧ сигнала сервосистемы. Это обеспечивает адекватное распределение сигналов ошибки между главным и подчиненным лазерами соответственно. Причина, по которой для сервосистемы локального генератора для лазера 36 не требуется оптический резонатор, состоит в том, что остаточная мощность лазерного передатчика обеспечивает ту же самую функцию для сервосистемы, которая осуществляет регулирование лазера локального генератора 36, что и сигнал утечки оптического резонатора для сервосистемы лазера передатчика 12. Таким образом, данный вариант позволяет зафиксировать лазер локального генератора непосредственно на центральной частоте передатчика, что приводит к устойчивому гомодинному детектированию когерентного оптического сигнала. Также с помощью этой системы возможно достижение гетеродинной фиксации, когда лазер локального генератора 36 фиксируется на центральной частоте лазера передатчика 12 с небольшой ошибкой смещения фазы.

Обычно допускается, что системы регулирования с обратной связью могут использоваться для подавления собственного фазового шума, благодаря действию обратной связи, обеспечивающей то, что замкнутая система с обратной связью осуществляет усиление на частотах, превышающих самую высокочастотную составляющую Фурье, на которой должен компенсироваться фазовый шум. Следовательно, для того, чтобы сузить ширину линии лазера, ширина полосы усиления замкнутой сервосистемы должна превышать ширину линии лазера; то есть, этот контур должен осуществлять усиление на самой высокочастотной составляющей Фурье фазового шума. Однако требования к устойчивости замкнутой системы определяют максимально допустимую суммарную задержку, при превышении которой высокочастотные составляющие Фурье сигнала обратной связи приведут к неустойчивости системы. Таким образом есть, в действительности, максимальный коэффициент усиления, который может быть достигнут в границах принимаемого фазового допуска для данной ширины полосы сигнала контура.

Однако, в случае полупроводникового лазера все не так просто. Лазер функционирует как источник излучения, модулятор и возбудитель в контуре обратной связи. Поскольку лазер функционирует как сервовозбудитель, то на самом деле это его собственная фазовая реакция по отношению к модуляции тока светоизлучающего p-n перехода, что определяет передаточные характеристики контура. Поскольку динамический диапазон IF сигнала обратной связи регулирует частоту лазера на значительной части микроволнового спектра, для данного контура возможно подавление фазового шума лазера на частотах Фурье, которые превышают частоты ПЧ спектра сервоконтура.

Вдобавок к выполнению нескольких функций в сервоконтуре лазер в этом изобретении выполняет двойную функцию как излучатель и как модулятор. В этом и заключается когерентная передача сигнала связи. Таким образом здесь один лазер выполняет множество важных функций в комплексной системе, что дает чрезвычайно эффективный с точки зрения затрат подход к созданию когерентных оптических систем с высокими рабочими характеристиками. Учитывая значительное увеличение ширины полосы сигнала и улучшение баланса потерь, полезность описанного здесь изобретения становится очевидной.

Похожие патенты RU2153215C1

название год авторы номер документа
КОГЕРЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК С УПРАВЛЕНИЕМ ПОСРЕДСТВОМ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ И С ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ/КОРРЕКЦИЕЙ 2007
  • Беккер Дональд А.
  • Мохр Дэниел Р.
  • Ри Кристоф Т.
  • Джоши Абхай М.
RU2394377C1
СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЧ ГЕНЕРАТОР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА 2009
  • Зырин Станислав Сергеевич
  • Ештокин Валерий Николаевич
  • Соболев Андрей Владимирович
  • Харабадзе Эдгар Тенгизович
RU2400009C1
КОГЕРЕНТНЫЙ СУПЕРГЕТЕРОДИННЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА 2013
  • Рокеах Александр Ицекович
  • Артёмов Михаил Юрьевич
RU2569485C2
СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ ВОЛОКОННО-ЭФИРНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРЫ И МОДУЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2011
  • Белкин Михаил Евсеевич
  • Белкин Леонид Михайлович
RU2472290C1
СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД МНОГОЧАСТОТНЫХ ЛАЗЕРОВ 1987
  • Четвериков В.И.
RU1530038C
ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ 2018
  • Гуров Михаил Геннадьевич
RU2704728C1
ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ СПОСОБ ЧАСТОТНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2009
  • Барышев Вячеслав Николаевич
  • Епихин Вячеслав Михайлович
RU2445663C2
АВТОДИННЫЙ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК ДЛЯ СИСТЕМ БЛИЖНЕЙ РАДИОЛОКАЦИИ 2021
  • Носков Владислав Яковлевич
  • Богатырев Евгений Владимирович
  • Галеев Ринат Гайсеевич
  • Игнатков Кирилл Александрович
  • Шайдуров Кирилл Дмитриевич
RU2779887C1
ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР 1989
  • Азаров А.А.
  • Ишутин А.Н.
  • Макаров В.В.
RU2064721C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МНОГОМОДОВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП 2020
  • Сахаров Вячеслав Константинович
RU2751052C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 153 215 C1

Реферат патента 2000 года СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

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

Формула изобретения RU 2 153 215 C1

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

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2000 года RU2153215C1

US 5408349, 18.04.1995
US 4896327, 23.01.1990
Аппарат искусственного дыхания " Горноспасатель-6" 1959
  • Ковшов А.Р.
  • Кузьменко Н.Н.
  • Москаленко Н.Т.
SU128297A1
Устройство для стабилизации параметров импульсов излучения полупроводникового лазера 1989
  • Коростик Константин Николаевич
  • Карих Евгений Дмитриевич
SU1628116A1
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА 1994
  • Воронов В.И.
RU2086060C1

RU 2 153 215 C1

Авторы

Меллз Брэдли

Даты

2000-07-20Публикация

1996-11-08Подача