СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1997 года по МПК H01S3/96 

Изобретение относится к физике и технике полупроводниковых лазеров и может найти применение в волоконно-оптической связи.

Цель изобретения сужение линии одночастотной генерации, расширение пределов управления частотой линии одномодовой генерации и достижение дополнительной возможности передачи информации с параллельным спектральным двоичным кодированием.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, реализующего способ управления излучением полупроводникового лазера; на фиг. 2 излучение лазера на определенных частотах, соответствующих двухразрядному параллельному спектральному двоичному коду; на фиг. 3 графическое решение уравнения для фазового условия; на фиг. 4 графическое решение уравнения фазового условия для сдвига по частоте суженной линии одномодовой генерации; на фиг. 5 - последовательный порт; на фиг. 6 параллельный порт; на фиг. 7 графическое решение уравнения баланса фаз для двухразрядного ДПСК.

Устройство содержит ПЛ 1, электрически связанный с блоком питания 2, устройство ввода-вывода излучения 3, делители излучения 4, спектрально неселективные отражательные элементы 5, оптически связанные с ПЛ при помощи устройства ввода-вывода 3, снабженные оптическими аттенюаторами 6 и модуляторами фазы отраженного излучения 7, на входы которых подаются сигналы от блока управления 8.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Излучение от ПЛ 1 с помощью устройства ввода-вывода 3 направляется через делители 4 на спектрально-неселективные отражательные элементы 5. Количество делителей и их коэффициенты d₁ r₁₁/r₂₁, где r₁₁ часть падающей на делитель мощности, прошедшая в первый пучок; r₂₁ аналогично для второго пучка, а также количество отражательных элементов, коэффициенты поглощения аттенюаторов 6 k_i P_0i/P_1i, где P_0i - мощность излучения, падающая на i-й отражательный элемент, P_1i мощность, возвращаемая от i-го отражательного элемента, выбираются в соответствии с желаемой целью. Управляют фазой отраженного излучения от каждого отражательного элемента подачей электрического сигнала от блока управления.

В частности, для ДПСК устанавливаются два отражательных элемента, один делитель оптического пучка. Отношение длин оптического пути выбирается в интервале 1: 2 1:4. Коэффициент деления делителя оптического пучка и коэффициенты поглощения k₁ и k₂ оптических аттенюаторов выбираются такими, чтобы обеспечить равные коэффициенты обратной связи по мощности от обоих отражательных элементов. Путем подачи электрического сигнала от блока управления 8 на входы модулятора фазы 7 получают излучения лазера на определенных частотах, соответствующих двухразрядному параллельному спектральному двоичному коду (см. фиг. 2).

Для получения линии одномодовой генерации максимальной ширины и сдвига ее на максимальное расстояние по частоте от центра излучения изолированного лазера устанавливают N отражательных элементов, N 1 делителей оптического пучка. Отношение длин оптических путей от ПЛ до каждого i-го отражательного элемента (т. е. в каждом i-ом оптическом канале) выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие
(1)
Коэффициенты деления i-го делителя оптического пучка и коэффициенты поглощения оптических аттенюаторов выбираются такими, чтобы коэффициенты обратной связи R_i с i-м внешним зеркалом удовлетворяли соотношению
(2)
Путем подачи электрического сигнала от блока управления 8 на входы модуляторов фазы 7 получают фазу отражения излучения такую, что излучение лазера имеет вид линии одномодовой генерации минимальной ширины на центральной частоте излучения изолированного лазера или на сдвинутой относительно данной частоте.

Необходимую фазу и амплитуду отраженного излучения можно рассчитывать на основе изложенных ниже соображений.

Для одного внешнего резонатора фаза излучения с учетом отражения от внешнего зеркала имеет вид
(3)
где n показатель преломления активной области;
l ee длина;
R коэффициенты отражения по амплитуде зеркал, образованных гранями лазера;
ω угловая частота излучения;
r коэффициент отражения по амплитуде внешнего зеркала;
L расстояние до внешнего зеркала;
c скорость света.

В случае же N внешних отражательных элементов

где r_i коэффициент отражения i-го внешнего отражательного элемента с учетом потерь на ввод и вывод излучения и коэффициента деления делителей оптического пучка;
L_i оптическая длина до i-го внешнего отражательного элемента.

Условие генерации имеет вид
θ = 2πK, (5)
где K целое число.

Уравнение (3) можно решить графически (см. фиг. 3). Здесь ω_o - центральная частота излучения единственной моды изолированного лазера. Решение приведено для двух отражательных элементов. Проекции точек пересечения наклонной прямой и суммы синусоид это возможные частоты генерации лазера с многозеркальным внешним резонатором. Ширина линии генерации отдельной моды в случае одного внешнего резонатора определяется следующей формулой:
(6)
где Δω_o ширина линии генерации изолированного лазера;
Δω ширина отдельной моды излучения лазера с внешним резонатором;
t_o=2nl/c пролетное время внутреннего диодного резонатора;
τ=2L/c пролетное время внешнего резонатора;
a коэффициент амплитудно-фазовой связи.

В случае многозеркального внешнего резонатора
(7)
где τ_i пролетное время i-го резонатора;
r_i коэффициент отражения по амплитуде i-го внешнего отражательного элемента.

Сравнивая формулы (6) и (7), видим, что в случае с многозеркальным внешним резонатором сужение линии происходит не аддитивно, а значительно сильнее, а именно по квадратичному закону. В случае внешнего резонатора, в котором выполняются условия (1) и (2), максимальное сужение линии генерации зависит от количества резонаторов N по показательному закону
. (8)
Из формул (4) и (7) следует, что может быть расширен диапазон перестройки по частоте суженной линии одномодовой генерации (см. фиг. 4). Сдвиг по частоте определяется синусоидой большего периода (т.е. отражательным элементом с наименьшей оптической длиной до него), а сужение линии определяется синусоидой меньшего периода и амплитуды (т.е. более далеким отражательным элементом).

Из формулы (4) следует, что в случае N внешних отражательных элементов можно добиться независимого управления амплитудой N мод излучения, т.е. осуществить N разрядное ДПСК. Передача информации ДПСК может найти применение в когерентной волоконно-оптической связи и позволит повысить скорость передачи информации в N раз, по сравнению со случаем последовательного кодирования, при той же тактовой частоте.

В информатике для передачи двоичной информации применяют понятие последовательного и параллельного порта. Одно и то же двоичное слово может быть передано по одному каналу в виде последовательности нулей и единиц. В параллельном порте все N-разрядное слово передается за 1 такт (фиг. 6), т. е. скорость передачи информации в N-разрядном параллельном порте в N раз выше при той же тактовой частоте.

Пример 1. Способ реализован на установке, включавшей инжекционный полупроводниковый лазер 1 ИЛПН-202, температура которого была стабилизирована до 0,01^oC с помощью микрохолодильника Пельтье.

Спектр исследовался монохроматором МДР-23 с разрешением 20 ГГц и сканирующим интерферометром Фабри-Перо (ИФП) с разрешением 20 ГГц и областью свободной дисперсии 1,47 ГГц. В качестве отражательных элементов 5 использовались плоские металлические зеркала на стеклянных подложках, которые были приклеены к пьезокерамическим кольцам. На поверхности пьезокерамических колец были нанесены электроды, и каждое из колец подключалось к регулируемому источнику напряжения. При изменении напряжения на 40 В пьезокерамическое кольцо деформировалось так, что зеркало смещалось вдоль оптической оси падающего на него излучения на 0,65 мкм, что соответствовало изменению фазы отраженного излучения на 2π. Сами зеркала были установлены перпендикулярно оптической оси падающего на них излучения. В качестве делителей 4 излучения использовались клиновидные стеклянные пластины, в качестве оптических аттенюаторов 6 ирисовые диафрагмы.

Пороговый ток лазера 30 мА, ток накачки устанавливался в диапазоне 25 - 50 мА, при этом изолированный лазер имел одномодовый одночастотный режим с длиной волны от 1,22 до 1,2468 мкм. Максимальное сужение линии одномодовой генерации однозеркальным внешним резонатором по прототипу составило 50 раз. Максимальное сужение двухзеркальным резонатором согласно изобретению, т. е. при соотношении длин L₂ 100 • L₁, установкой фаз и амплитуд отраженного излучения по формулам (4) и (7) составило 904 раза.

Пример 2. То же, что и в примере 1, но контролем фаз отраженного излучения по формулам (4) и (7), и в соответствии с фиг. 4, получен диапазон перестройки линии по частоте на 300 МГц, при этом ширина линии составила не более 10 МГц. При работе по прототипу линия при сдвиге на 300 МГц имела ширину 200 МГц.

Пример 3. То же, что и в примере 1, но длины до внешних зеркал выбраны 20 и 50 см. Данные приведены в таблице.

Эффект от применения предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия и надежности оптических линий связи.

Использование: физика и техника получения полупроводниковых лазеров, волоконно-оптическая связь. Сущность изобретения: излучение полупроводникового лазера вводят в один или несколько оптических каналов, используя делители потока излучения; каждый канал составлен из отражательного элемента, снабженного модулятором фазы и/или элементом управления отраженного излучения, оптически связанным с полупроводниковым лазером при помощи устройства ввода-вывода излучения и оптического аттенюатора; полупроводниковый лазер связан с блоком питания, а модуляторы фазы и элементы управления - с блоком управления; длины оптических путей в каналах различны, причем при наличии двух оптических каналов их длины оптических путей соотносятся как 1:2-1:4, а отношения длин L оптических путей в i и i - 1 каналах удовлетворяют соотношению , при i = 2 ... N, где N - количество отражательных элементов в оптических каналах, делители потока излучения выполнены так, что коэффициенты связи K_i и K_i+1 по мощности i-го и i + 1-го отражательных элементов связаны соотношением ; в каждом канале осуществляют независимый выбор и контроль амплитуды и фазы отражательного излучения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ управления излучением полупроводникового лазера, включающий направление излучения полупроводникового лазера в оптический канал на управляемый и/или модулируемый отражательный элемент и введение отраженного излучения в резонатор полупроводникового лазера при выборе и контроле фазы амплитуды отраженного излучения в соответствии с сигналом управления и/или модуляции отраженного элемента, отличающийся тем, что, с целью сужения линии одночастотной генерации, расширения пределов управления частотой линии одномодовой генерации и достижения дополнительной возможности передачи информации с параллельным спектральным двоичным кодированием, направляют излучение полупроводникового лазера по крайней мере в один дополнительный оптический канал, длина оптического пути которого отлична от оптической длины первого канала, а выбор и контроль амплитуды и фазы отраженного излучения в каждом канале осуществляют независимо. 2. Устройство управления излучением полупроводникового лазера, электрически связанного с блоком питания, содержащее отражательный элемент, снабженный модулятором фазы и/или элементом управления отраженного излучения, оптически связанными с полупроводниковым лазером при помощи устройства ввода-вывода излучения, оптический аттенюатор, составляющие в совокупности оптический канал, а также электронный блок управления, вход которого соединен с источником внешнего сигнала, а выход с модулятором фазы и/или элементом управления отраженным излучением, отличающееся тем, что, с целью сужения линии одночастотной генерации, расширения пределов управления частотой линии одномодовой генерации и достижения дополнительной возможности передачи информации с параллельным спектральным двоичным кодированием, в него дополнительно введены по крайней мере один делитель потока излучения и по крайней мере одна совокупность элементов, составляющих дополнительный оптический канал, причем длины оптического пути между полупроводниковым лазером и каждым из отражательных элементов различны, а электрические входы фазовых модуляторов и/или элементов управления соединены с соответствующими выходами электронного блока управления. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что, с целью дополнительного повышения эффективности двоичного двухразрядного параллельного спектрального кодирования, в него введен один дополнительный оптический канал, причем отношение длин оптических путей в каналах находится в интервале 1:2-1:4. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью дополнительного сужения линии одночастотной генерации, расширения пределов управления частотой линии одномодовой генерации при наибольшей полезной выходной мощности, отношения длин L оптических путей в i и i-1 каналах, выбраны удовлетворяющими соотношению

где N количество отражательных элементов в оптических каналах, а делители потока излучения выполнены так, что коэффициент связи К_i по мощности i-го отражательного элемента и коэффициент связи К_i + 1 по мощности i+1-го отражательного элемента связаны соотношением
с