МНОГОЧАСТОТНЫЙ ИСТОЧНИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ВОЛС Российский патент 2004 года по МПК H01S5/00 H01S3/10 H01S3/02 H01S3/05 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к системам волоконно-оптической связи, а также к лазерным системам, используемым в информатике, сенсорике, оргтехнике и медицине.

Известен многочастотный источник излучения, содержащий на одной подложке 20 лазеров с распределенной обратной связью в виде решеток различного периода (C.E.Zah, M.R.Amersfoort, B.Pathak, F.Favire at all "Wavelength accurancy and output power of multiwavelength DFB laser arrays with integrated star couplers and optical amplifiers", IEEE Photonics Technology Letters, vol.8, N 7, p.864, 1996). Недостатком этого многочастотного источника излучения является необходимость прецизионного изготовления решеток различного периода, а также необходимость использования сложной технологии повторного роста полупроводниковых слоев структуры после изготовления решеток. Слабая повторяемость процесса заращивания решеток делает эту технологию малопригодной для массового производства.

Наиболее близким к заявляемому является известный полупроводниковый источник многочастотного излучения, содержащий в качестве селектирующего внутрирезонаторного элемента интегрально-оптический аналог эшелона Майкельсона. Таким аналогом является набор канальных волноводов различной длины, причем длина каждого последующего канала отличается от длины предыдущего на одну и ту же величину. Входные и выходные концы набора канальных волноводов соединены с фокусирующими планерными структурами, имеющими выходы в виде одного или нескольких канальных волноводов. В рассматриваемой работе (M.Zirngill, C.H.Joyner, C.R.Doerr, L.W.Stulz, H.M.Presby "An 18-cannal multifreguency laser" IEEE Photonics Technology Letters v.8, N 7, p.870, 1996) этими выходными каналами являются лазерные структуры. Недостатками ближайшего аналога являются относительно большие размеры лазерного источника (18×9 мм²), низкая частота модуляции лазеров, большие оптические потери в интегрально-оптическом эшелоне Майкельсона и нестабильность параметров таких источников излучения при массовом производстве их.

С помощью предлагаемого изобретения решается техническая задача получения источника многочастотного излучения с высокой частотой модуляции лазеров, с низкими оптическими потерями внутрирезонаторного селектирующего элемента и высокой повторяемостью выходных параметров при производстве этого источника излучения.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном источнике многочастотного излучения, содержащем активные элементы, селектирующий элемент в виде интегрально-оптического эшелона Майкельсона, работающего на проход, а также зеркала, образующие резонатор типа интерферометра Фабри-Перо, в качестве селектирующего элемента введен интегрально-оптический эшелон Майкельсона, работающий на отражение, а в качестве активного элемента использована линейка полупроводниковых лазерных диодов (канальных усилителей), на выходной торец которой нанесено выходное зеркало, а на входной торец нанесено антиотражающее покрытие, причем канальные усилители состыкованы с выходными каналами селектора посредством микролинзы, выполненной на входном торце селектора, при этом на втором торце селектора нанесено полностью отражающее зеркало.

В частности, спектральный селектор источника лазерного излучения снабжен термооптическим регулятором фазы волны в канальных волноводах селектора, обеспечивающим плоский фронт волны, падающей на полностью отражающее зеркало источника.

В частности, многочастотный источник лазерного излучения снабжен программируемым переключателем инжекционного тока накачки отдельных лазерных диодов в линейке, обеспечивающим включение произвольного числа каналов генерации в произвольной временной последовательности.

В частности, выходные торцы канальных лазерных диодов в линейке состыкованы с входом интегрально-оптического эшелона Майкельсона, работающего на проход и объединяющего все разночастотные каналы генерации в одном волоконном световоде.

В частности, отражающий торец селектора может быть выполнен в виде торца планарного волновода, состыкованного с канальными волноводами посредством адиабатически расширяющихся участков канальных волноводов.

В частности, селектор содержит дополнительные канальные волноводы для контроля качества цилиндрической микролинзы, причем входные концы этих волноводов состыкованы с волоконными световодами.

В частности, цилиндрическая линза на входном торце селектора просветлена и дополнительные канальные волноводы селектора используются для контроля юстировки микролинзы.

В частности, многочастотный источник лазерного излучения снабжен термоэлектрическим элементом для стабилизации температуры источника.

Суть изобретения состоит в том, что интегрально-оптический эшелон, работающий на проход, отображает некоторую точку одного цвета на входе во вполне определенную точку того же цвета на выходе. Это свойство эшелона позволяет использовать его в качестве внутрирезонаторного селективного элемента. Как уже отмечалось, эшелон Майкельсона, работающий на проход, представляет собой набор канальных волноводов различной длины, причем l_N+1-l_N=Δl=const, где N=1, 2, 3... - номер волновода, начинающийся от самого короткого волновода. Входные и выходные концы канальных волноводов набора располагаются на дугах окружности, обеспечивая тем самым одинаковость амплитуд и фаз возбуждаемых в них волн, а также фокусировку света различных частот на выходе. Из-за разницы длин канальных волноводов первоначально сферический фронт волны (на различных частотах) в эшелоне преобразуется в плоский. Это состояние фронта для всех частот достигается на оси симметрии интегрально-оптического эшелона Майкельсона, но для одной из них (центральной) фронт волны параллелен этой оси. Если на оси симметрии эшелона расположить отражающее зеркало, то после отражения свет с центральной частотой возвратиться в исходную точку на входе эшелона. Свет остальных частот после отражения будет локализован в других точках окружности, расположенных вблизи исходной точки. Однако если свет определенной частоты будет исходить из соответствующей его частоте точки на входной окружности, то после отражения на зеркале, расположенном на оси симметрии, этот свет, как и свет центральной частоты, попадет снова в свою исходную точку. Местоположение самоотображающихся точек на входе эшелона можно определить, если излучение различных частот ввести в канальные волноводы через их торцы на отражающем зеркале, причем фронт введенной волны на всех частотах должен быть параллелен этому зеркалу.

Длина отражающего эшелона в два раза короче обычного эшелона, работающего на проход. В резонатор предлагаемого многочастотного лазера введен эшелон Майкельсона, работающий на отражение и выполняющий роль внутрирезонаторного спектрального селектора. В качестве активного элемента лазера использована линейка лазерных диодов, каждый из которых имеет широкий спектр усиления в заданном диапазоне длин волн. Один торец линейки имеет отражающее покрытие (т.е. выходное зеркало), другой - просветляющее покрытие. Оптически просветленные концы канальных усилителей линейки состыкованы с концами, тоже просветленными, входных канальных волноводов эшелона. Излучение из канальных усилителей всех длин волн попадает на входы канальных волноводов эшелона, однако назад возвращается в каждый канальный усилитель излучения только одной, вполне определенной длины волны. Поэтому в каждом канальном усилителе усиливается излучение одной длины волны, которое в результате многих проходов по резонатору переходит в лазерное излучение. Все лазерные диоды в линейке работают независимо, одновременно или последовательно в любой комбинации спектрально разделенных каналов.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена схема заявляемого многочастотного источника излучения. Источник содержит выходное зеркало 1, нанесенное на торец активного элемента 2, активным элементом является линейка лазерных диодов, второй (внутренний) торец которой просветлен (R<0,5%). Каждый лазерный диод в линейке представляет собой канальный волновод 3. Линейка лазерных диодов оптически сопряжена со спектральным селектором 4, представляющим собой интегрально-оптический эшелон Майкельсона, работающий на отражение. Эшелон состоит из ряда 5 входных канальных волноводов, сопряженных с участком планарного волновода 6, ограниченного дугами окружности Роланда на входе и выходе. Выходная граница планарного волновода сопряжена с набором 7 криволинейных канальных волноводов различной длины, переходящих в линейные канальные волноводы 8 одинаковой длины. Линейные канальные волноводы снабжены линейными нагревателями 9 для тонкой подстройки фазового набега световой волны в них. Торцы линейных канальных волноводов полированы и на них нанесено полностью отражающее свет покрытие, служащее вторым зеркалом 10 лазерного резонатора. Входные (выходные) канальные волноводы 5 селектора 4 состыкованы с канальными усиливающими свет волноводами 3 активного элемента 2 с помощью цилиндрической микролинзы 11, которая размещена на торце селектора 15. Для контроля качества микролинзы используются канальные волноводы 12. Выходные торцы лазерных диодов (канальных усилителей) состыкованы с выходными волоконными световодами 13, снабженными торцевыми микролинзами 14.

На фиг.2 представлена схема взаимного расположения элементов 4, 2, 13 по вертикали.

Заявляемый источник излучения работает следующим образом. Спонтанное излучение активной области 2 источника попадает на вход канальных волноводов 5 эшелона Майкельсона, затем проходит по планарному волноводному участку 6, расширяется и освещает равномерно все торцы криволинейных канальных волноводов 7, после прохождения линейного участка канальных волноводов 8 излучение попадает на глухое зеркало 10, отражается на нем и возвращается во входные канальные волноводы 5. Посредством цилиндрической микролинзы 11 излучение из канальных волноводов 5 переходит в усиливающие канальные волноводы 3 активного элемента 2. В активном элементе спонтанное излучение, спектрально ограниченное селектором, усиливается, частично выходит через зеркало 1, а отразившаяся часть его возвращается в резонатор, формируя его моды и компенсируя потери излучения внутри резонатора.

В силу того, что в многочастотном источнике излучения использован интегрально-оптический эшелон Майкельсона, работающий на отражение, длина лазерного резонатора заявляемого лазера почти вдвое короче, чем у резонатора с эшелоном, работающим на проход. Это обстоятельство обеспечивает вдвое больше допустимые скорости передачи информации по каналам ВОЛС. Кроме того, потери света в эшелоне, работающем на отражение, вдвое меньше, чем в эшелоне, работающем на проход, это обеспечивает предлагаемому лазерному источнику низкие пороговые токи и лучшие мощностные характеристики. Однако самое главное преимущество предлагаемого источника излучения состоит в том, что частоты излучения его четко согласуются с частотами приемно-передающих устройств линии ВОЛС, т.к. основой этих устройств и предлагаемого источника являются все те же интегрально-оптические эшелоны Майкельсона.

В настоящее время типичные устройства уплотнения и разуплотнения разночастотных каналов связи, которые можно приобрести на рынке, являются 40-канальными с частотным промежутком между каналами f=100 ГГц. Поэтому здесь рассмотрен пример заявляемого источника лазерного излучения, работающего на (40) сорока частотах в диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм. В этом источнике использована линейка диодных лазеров на основе гетероструктур InGaAsP-InP с квантоворазмерными слоями. Типичные размеры линейки 0,5×10 мм², ширина канала усиления 3 мкм. В качестве спектрального селектора использована волноводная структура на основе SiO₂-SiO₂+GeO₂-SiO₂; (SiO₂-SiON-SiO₂). Ширина входных канальных волноводов селектора составляет 3 мкм и соответствует ширине усиливающих каналов активного элемента, высота канальных волноводов 1,85 мкм, что при Δn=0,05 соответствует параметрам одномодового волновода. Расстояние между выходными канальными волноводами составляет 150 мкм и оно естественно совпадает с расстоянием между усиливающими каналами в активном элементе. Расстояние между канальными волноводами на входе планарного участка равно 8,4 мкм. Длина этого участка структуры составляет 4546 мкм. На противоположной границе планарного участка располагаются входы канальных волноводов самого эшелона Майкельсона. Число этих волноводов достигает 164, расстояние между ними на входе составляет 8,4 мкм. Длина среднего криволинейного волновода равна 12895 мкм. Разница длин соседних волноводов составляет 15,2 мкм, что соответствует 29 порядку интерференции. Длина линейных канальных волноводов с нагревательными элементами вдоль них составляет 10000 мкм. Полная длина селектора достигает 27492 мкм. Рассчетные потери света в структуре на один проход до зеркала и обратно не превышают 3,5 дБ. Общие размеры многочастотного источника лазерного излучения достигают 30 мм в длину и 20 мм в ширину. Обычно фокальная длина цилиндрической микролинзы близка к толщине канального волновода и эффективность передачи света от него в канальный волновод диодного лазера достигает ~90%. Таким образом, потери света в резонаторе лазера, равные 5 дБ, являются достаточно низкими для полупроводникового лазера, усиление которого может достигать 20-30 см^-1.

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно, к системам волоконно-оптической связи. Предложенный источник, в частности, содержит активный элемент с частотным селектором, выполненным в виде интегрально-оптического эшелона Майкельсона, работающего на отражение. При этом входной торец селектора выполнен в виде цилиндрической микролинзы, а выходной - в виде плоского высокоотражающего зеркала. В результате предложенный источник многочастотного излучения имеет высокую точность расположения генерируемых частот с низкими оптическими потерями внутрирезонаторного селектирующего элемента и обладает высокой воспроизводимостью выходных параметров. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многочастотный источник лазерного излучения, содержащий последовательно установленные активный элемент в виде линейки полупроводниковых лазерных диодов с выходным частично отражающим зеркалом, размещенным на внешнем торце линейки лазеров, цилиндрическую микролинзу, частотно-селективный элемент, выполненный в виде интегрально-оптического эшелона Майкельсона, работающего на отражение, и второе полностью отражающее зеркало лазерного резонатора, нанесенного на внешний торец частотно-селективного элемента, причем активные торцы линейки лазеров противостоят канальным волноводам частотно-селективного элемента и они оптически сопряжены друг с другом с помощью цилиндрической микролинзы.2. Многочастотный источник лазерного излучения по п.1, отличающийся тем, что на волноводах частотно-селективного элемента дополнительно введен термооптический регулятор фазы волны.3. Многочастотный источник лазерного излучения по п.1, отличающийся тем, что участки волноводов частотно-селективного элемента, примыкающие к высокоотражающему зеркалу, выполнены адиабатически расширяющимися.4. Многочастотный источник лазерного излучения по п.1, отличающийся тем, что выходные торцы лазерных диодов в линейке состыкованы с входом интегрально-оптического эшелона Майкельсона, работающего на проход.