Узкополосный лазер с внешним резонатором Российский патент 2024 года по МПК H01S5/14 

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технике. Оно может быть использовано для создания узкополосных лазеров с внешними резонаторами, обеспечивающих генерацию на одной продольной моде.

Из уровня техники известен лазер с внешним резонатором, в котором в качестве выходного зеркала используется либо интерферометр Фабри-Перо, либо интерферометр Гирса-Турнуа, у которых хотя бы одна из поверхностей - сферическая (патент US №7415049, МПК: H01S 3/10, выд. 19.08.2008). В таком интерферометре спектральный отклик при отражении имеет угловую зависимость. Исходя из этого, в указанном аналоге используется схема наклона, при которой путем выбора соответствующего угла между оптической осью интерферометра и оптической осью резонатора обеспечивается именно узкополосное пиковое спектральное отражение (retroreflection) обратно в резонатор лазера, характерное для спектра пропускания интерферометра, а не широкое по спектру отражение, характерное для его обычного отражения. Это настраиваемое узкополосное отражение используется для настройки выходной длины волны лазера.

К недостаткам известного технического решения следует отнести его высокую сложность изготовления и настройки.

Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом - является полупроводниковый лазер с узкой шириной линии, основанный на выборе частоты узкополосного узла (патент US №10826273, МПК: H01S 5/14, выд. 03.11.2020). Суть технического решения по прототипу заключается в следующем. Как показано в материалах патента на Fig. 1, полупроводниковый лазер содержит чип полупроводникового оптического усилителя, коллиматорную линзу, эталон, оптический фильтр DWDM и частично пропускающее зеркало в качестве выходного элемента резонатора. Для передачи излучения в оптоволоконную линию используется изолятор, линза и выходное оптическое волокно, перечисленные выше устройства расположены последовательно. На передний торец чипа полупроводникового оптического усилителя нанесено просветляющее покрытие, а покрытие заднего торца - сильно отражающее, оба торца эталона - частично пропускающие зеркала; оптический фильтр - обычно использует оптический фильтр DWDM в диапазоне связи; отражение зеркала может быть выбрано по-разному; в изоляторе обычно используется двойной изолятор, который может эффективно предотвращать попадание отраженного света обратно в резонатор лазера; и линза и выходное оптическое волокно образуют выходную систему всего лазера. Оптический сигнал, выдаваемый чипом полупроводникового оптического усилителя, после коллимирующей линзы поступает на эталон для формирования гребенчатого спектра и проходит через полосовой оптический фильтр для выбора оптического сигнала с заданной длиной волны, затем часть света, отраженного зеркалом частичного отражения, возвращается к полупроводниковому оптическому усилителю (это зеркало вкупе с задним торцом чипа формирует лазерные моды резонатора), в то время как другая часть света передается и выводится из частично пропускающего зеркала. С помощью изолятора, линзы и выходного оптического волокна осуществляется вывод лазерного излучения. При этом (в материалах прототипа не акцентируется) в случае использования в качестве гребенчатого фильтра эталона Фабри-Перо, последний устанавливается под углом к оптической оси резонатора с тем, чтобы вывести отраженный (неиспользуемый в рамках заявленной конструкции) спектр вовне.

К недостаткам прототипа, как и ранее рассмотренного аналога, следует отнести его высокую сложность изготовления и настройки, обусловленную сложностью исполнения узкополосного оптического фильтрующего узла, в котором эталон Фабри-Перо должен формировать очень узкие гребни, которые выделяют одну моду резонатора, что требует высокой сложности и точности изготовления и, вкупе с выходным зеркалом, весьма сложной настройки.

Проблема, решаемая заявленным техническим решением - исключение выходного зеркала резонатора и снижение требований к точности изготовления эталона Фабри-Перо.

Достигаемый технический результат - упрощение конструкции.

Выявленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в узкополосном лазере с внешним резонатором, включающем расположенные вдоль оптической оси резонатора полупроводниковый активный элемент с размещенным со стороны его внешнего торца зеркалом, отражающим излучение внутрь резонатора, и просветляющим покрытием на другом его торце, коллиматор, полосовой фильтр с узкой полосой пропускания и эталон Фабри-Перо, эталон Фабри-Перо установлен нормально к оптической оси резонатора в качестве выходного элемента, отражающего часть излучения внутрь резонатора и пропускающего выходное лазерное излучение, а полосовой фильтр выполнен с полосой пропускания, граничные значения которой ограничивают асимметричную часть спектральной кривой одного провала в спектре отражения эталона Фабри-Перо так, что моды резонатора в пределах означенной полосы пропускания отвечают условию К_max≥К_i+Δ_con, где К_max - максимальный коэффициент отражения одной из мод резонатора в пределах полосы пропускания полосового фильтра, К_i - коэффициент отражения любой из мод резонатора в пределах полосы пропускания полосового фильтра кроме моды с максимальным коэффициентом отражения, Δ_con - межмодовая разница коэффициентов отражения, необходимая и достаточная для однозначной победы моды с большим коэффициентом отражения в конкуренции мод резонатора; предпочтительно соблюдать условие 0,7h≥К_max≥0,3h, где h - глубина провала спектральной кривой в спектре отражения эталона Фабри-Перо; кроме того моду резонатора с максимальным коэффициентом отражения в пределах полосы пропускания полосового фильтра возможно располагать как на восходящем, так и на нисходящем склоне в спектре отражения эталона Фабри-Перо.

Изобретение поясняется изображениями, на которых представлены:

на Фиг. 1 - оптическая схема заявленного узкополосного лазера с внешним резонатором;

на Фиг. 2 - частотный спектр отражения эталона Фабри-Перо.

Позиции на означенных изображениях означают следующее:

1 - полупроводниковый активный элемент;

2 - коллиматор (коллимирующая линза);

3 - полосовой фильтр;

4 - эталон Фабри-Перо;

5 - оптическая ось резонатора;

6 - провал спектральной кривой отражения эталона Фабри-Перо;

7 - моды резонатора;

8, 9 - границы полосы пропускания полосового фильтра;

10 - минимумы спектральной кривой отражения эталона Фабри-Перо;

11 - склоны спектра отражения эталона Фабри-Перо;

12 - плато спектра отражения эталона Фабри-Перо.

Согласно изобретению узкополосный лазер с внешним резонатором, как это представлено на Фиг. 1, включает расположенные вдоль оптической оси 5 полупроводниковый активный элемент 1, коллиматор (коллиматорную линзу) 2, полосовой частотный фильтр 3 с узкой полосой пропускания и эталон Фабри-Перо 4. Принципиальное отличие изобретения от прототипа заключается в отсутствии выходного зеркала - функцию выходного элемента выполняет эталон Фабри-Перо 4, установленный нормально к оптической оси резонатора, конструкция которого аналогична конструкции прототипа за исключением отмеченных выше отличий.

Изобретение основано на следующем. Известно, что спектр пропускания эталона Фабри-Перо обладает серией пиков (многолучевая интерференция), разнесенных на величину области свободной дисперсии FSR. Этот эффект использован в прототипе. Если пренебречь поглощением и рассеянием, учитывая то, что их значения, как правило, невелики, отраженное излучение эталона Фабри-Перо составит значение, равное R(λ)=1-T(λ), где Т(λ) - пропускание эталона на данной конкретной длине волны λ. Соответственно, для предложенной в рамках настоящего изобретения конструкции, спектр отражения будет соответствовать представленному на Фиг. 2, т.е. в отличие от спектра пропускания, обладающего серией пиков, спектр отражения представляет обратную картину и обладает серией провалов, очерченных (по аналогии со спектральными кривыми пиков спектра пропускания) спектральными кривыми провалов 6 спектра отражения.

В приведенном на Фиг. 1 техническом решении на задний торец полупроводникового активного элемента 1 (как и в прототипе) нанесено покрытие с высоким коэффициентом отражения, по сути - зеркало, отражающее излучение внутрь резонатора. На передний (обращенный внутрь резонатора) торец полупроводникового активного элемента 1 (иные применимые термины: полупроводниковый оптический усилитель, чип), так же как в прототипе, нанесено просветляющее покрытие. Оптический сигнал, выдаваемый полупроводниковым активным элементом 1, после коллимирующей линзы 2 и спектральной селекции при прохождении через полосовой фильтр 3, поступает в эталон Фабри-Перо 4 (в прототипе - гребенчатый оптический фильтр) от которого часть света отражается эталоном Фабри-Перо 4 обратно в полупроводниковый активный элемент 1 для усиления и формирования положительной обратной связи в резонаторе лазера, в то время как другая часть излучения пропускается эталоном Фабри-Перо 4 и формирует выходное лазерное излучение, причем отраженное от эталона Фабри-Перо лазерное излучение связано с прошедшим через него излучением как R(λ)=1-Т(λ) для данной конкретной длины волны генерации. Отметим, что так же, как и в прототипе, вышеперечисленные элементы лазера могут быть размещены на основании, имеющем систему контроля температуры, а сама продольной мода и ее длина волны могут изменяться путем регулирования температуры резонатора лазера с помощью означенной системы контроля температуры, так что длина волны излучения и выходная мощность лазера контролируются, а лазер находится в оптимальном рабочем состоянии. В соответствии с заявленным техническим решением, полосовой фильтр 3 выполнен с полосой пропускания, граничные значения 8 и 9 которой асимметрично ограничивают часть спектральной кривой одного провала 6 в спектре отражения эталона Фабри-Перо, как это представлено на Фиг. 2. Экспериментально установлено, что спектральную кривую провалов в спектре отражения эталона Фабри-Перо условно можно разбить на участки, представленные на Фиг. 2: минимумы 10, склоны 11 и плато 12. Характер таких участков неизменен для эталонов Фабри-Перо, переменными являются лишь их рабочие параметры. Минимумы 10 и плато 12 спектральной кривой отражения «грубого» эталона Фабри-Перо весьма пологи и характеризуются небольшими межмодовыми разницами их коэффициентов отражения. Соответственно, в пределах этих участков результат конкуренции мод носит неопределенный характер и весьма сложно добиться победы лишь одной моды. Склоны 11 - это более крутые участки и характеризуются большей разницей коэффициентов отражения между модами, как правило превышающими значение, необходимое и достаточное для однозначной победы в конкуренции моды, обладающей наибольшим коэффициентом отражения.

Таким образом, совокупность признаков по п. 1 формулы изобретения формирует условия осуществления лазером узкополосного высококогерентного одномодового излучения. При этом выходное зеркало отсутствует, а требования к эталону Фабри-Перо существенно снижены (можно даже сказать, что целенаправленно затрублены), поскольку нет необходимости в выделении чрезвычайно узкого одномодового гребня.

Экспериментально установлено что, с большой долей вероятности, требуемое условие соблюдается в диапазоне 0,7h≥К_max≥0,3h, где h - глубина провала, измеренная от вершины плато 12 (см. Фиг. 2).

Экспериментально установлено, что моду резонатора с максимальным коэффициентом отражения по интенсивности в пределах полосы пропускания полосового частотного фильтра возможно располагать как на восходящем, так и на нисходящем склоне спектральной кривой провала в частотном спектре отражения эталона Фабри-Перо, заявленный технический результат в обоих случаях неизменен.

Таковы номинальные параметры заявленного технического решения.

Кроме того, изменяя рабочую температуру лазера посредством вышеупомянутой терморегулируемой подложки (известное средство, не являющееся предметом настоящего изобретения), можно управлять положением продольной моды резонатора лазера относительно спектра отражения эталона Фабри-Перо 4, что влияет на выходные характеристики лазера. Итак, относительным положением продольной моды по отношению к спектру отражения эталона Фабри-Перо можно управлять, регулируя температуру лазера, таким образом, чтобы длина волны и мощность лазерного излучения на выходе резонатора были оптимальными.

Экспериментальная установка в соответствии с заявленным техническим решением включала:

- полупроводниковый активный элемент SAF1126C C-Band SAF Gain Chip Thorlabs;

- коллиматор 354710-C-f=1.5 mm, NA=0.5, ARC: 1050-1700 nm;

- Полосовой фильтр: 50 ГГц ширина спектра по уровню -20 дБ;

- Эталон Фабри-Перо: Свободный спектральный диапазон (FSR): 130 ГГц, Резкость: 5, Длина волны: 1550 нм.

Установленные и/или экспериментально выявленные параметры:

- К_max=40-50%;

- Минимальное значение в выбранной полосе К_i=10%;

- Δ_con=15-20%;

- h=65%.

В результате эксперимента было получено одномодовое узкополосное высококогерентное лазерное излучение мощностью 12 мВт, длиной волны 1550,2 нм и шириной 4,2 кГц, что сопоставимо с параметрами, обеспечиваемыми техническим решением по прототипу.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что проблема, решаемая заявленным техническим решением - исключение выходного зеркала резонатора и снижение требований к точности изготовления эталона Фабри-Перо - решена, а заявленный технический результат - упрощение конструкции - достигнут.

Хотя настоящее изобретение было подробно показано и описано со ссылкой на соответствующий конкретный вариант осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что в него могут быть внесены различные изменения в форме и деталях, не отступая от сущности и объема изобретения. Такие изменения подпадают под объем охраны, заявленной в формуле настоящего изобретения.

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технике. В узкополосном лазере с внешним резонатором, включающем расположенные вдоль оптической оси 5 резонатора полупроводниковый активный элемент 1 с размещенным со стороны его внешнего торца зеркалом, отражающим излучение внутрь резонатора, и просветляющим покрытием на другом его торце, коллиматор 2, полосовой фильтр 3 с узкой полосой пропускания и эталон Фабри-Перо 4, эталон Фабри-Перо 4 установлен нормально к оптической оси 5 резонатора в качестве выходного элемента, отражающего часть излучения внутрь резонатора и пропускающего выходное лазерное излучение, а полосовой фильтр 3 выполнен с полосой пропускания, граничные значения которой ограничивают асимметричную часть спектральной кривой одного провала в спектре отражения эталона Фабри-Перо 4 так, что моды резонатора в пределах означенной полосы пропускания отвечают условию К_max≥К_i+Δ_con. Технический результат - упрощение конструкции. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Узкополосный лазер с внешним резонатором, включающий расположенные вдоль оптической оси резонатора полупроводниковый активный элемент с размещенным со стороны его внешнего торца зеркалом, отражающим излучение внутрь резонатора, и просветляющим покрытием на другом его торце, коллиматор, полосовой фильтр с узкой полосой пропускания и эталон Фабри-Перо, отличающийся тем, что эталон Фабри-Перо установлен нормально к оптической оси резонатора в качестве выходного элемента, отражающего часть излучения внутрь резонатора и пропускающего выходное лазерное излучение, а полосовой фильтр выполнен с полосой пропускания, граничные значения которой ограничивают асимметричную часть спектральной кривой одного провала в спектре отражения эталона Фабри-Перо так, что моды резонатора в пределах означенной полосы пропускания отвечают условию:

К_max≥К_i+Δ_con, где

К_max - максимальный коэффициент отражения одной из мод резонатора в пределах полосы пропускания полосового фильтра;

К_i - коэффициент отражения любой из мод резонатора в пределах полосы пропускания полосового фильтра, кроме моды с максимальным коэффициентом отражения;

Δ_con - межмодовая разница коэффициентов отражения, необходимая и достаточная для однозначной победы моды с большим коэффициентом отражения в конкуренции мод резонатора.

2. Узкополосный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что

0,7h≥К_max≥0,3h, где

h - глубина провала спектральной кривой в спектре отражения эталона Фабри-Перо.

3. Узкополосный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что мода резонатора с максимальным коэффициентом отражения в пределах полосы пропускания полосового фильтра расположена на восходящем склоне в спектре отражения эталона Фабри-Перо.

4. Узкополосный лазер с внешним резонатором по п. 1, отличающийся тем, что мода резонатора с максимальным коэффициентом отражения в пределах полосы пропускания полосового фильтра расположена на нисходящем склоне в спектре отражения эталона Фабри-Перо.