DE602005000211T2

DE602005000211T2 - Laserdiode vom Typ Fasergitter mit niedrigem relativen Intensitätsrauschen

Info

Publication number: DE602005000211T2
Application number: DE602005000211T
Authority: DE
Inventors: Bianca Buchold; Konrad Czotscher; Dieter Werner
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: EP1564915A1; US7158552B2; EP1564915B1; US20050180474A1; DE602005000211D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laserquellen und genauer auf Laserdioden des Fasergittertyps mit geringem relativem Intensitätsrauschen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Zunahme des Telekommunikationsverkehrs treibt die Entwicklung der Technologie voran, mit der die verfügbare Bandbreite der Netzkommunikation ständig erweitert wird. Insbesondere besteht ein starker Ansporn zum Erhöhen der Kapazität optischer Kommunikationsverbindungen und zum Verringern der Kosten für die Implementierung kapazitätserhöhender Technologien. Ein Verfahren zum Erhöhen der Kapazität optischer Kommunikationsverbindungen bestand darin, optische Signale mit mehrfachen Wellenlängen auf dieselbe Faser zu kombinieren, was gewöhnlich als Wellenlängenmultiplex (WDM) bezeichnet wird. Für die Entwicklung von WDM-Systemen ist die Entwicklung der Technologie optischer Verstärker wesentlich, die optische Signale auf eine Weise verstärken können, die für die Datenrate und das Datenformat transparent ist und die über eine sehr große Bandbreite eine effiziente Verstärkung bereitstellen kann.
Die Fortführung der Entwicklung von WDM-Systemen einschließlich DWDM-Systemen (Kompakt-WDM-Systemen) steigert die Herausforderungen, die der Konstruktion optischer Verstärker eigen sind. Beispielsweise können DWDM-Systeme Hunderte von sehr eng (d. h. mit einem Abstand von weniger als 25 GHz) beabstandeten optischen Signalen übertragen. Die Verstärkung derartiger DWDM-Signale ist aus mehreren Gründen problematisch. Wird beispielsweise zum Pumpen eines raman-optischen Verstärkers ein unstabilisierter Pumplaser verwendet, der zur Verstärkung von DWDM-Signalen dient, so wird der Verstärkungsbereich des raman-optischen Verstärkers durch den begrenzten Dynamikbereich der Ausgangsleis tung des unstabilisierten Pumplasers begrenzt. Genauer gesagt, wird auch die mittlere Temperatur des Laserchips geändert, wenn die Ausgangsleistung des unstabilisierten Pumplasers durch Ändern des Injektionsstroms bei dem Versuch geändert wird, über eine gegebene Bandbreite eine gleichförmigere Verstärkung zu erzeugen. Die Änderung der mittleren Temperatur des Laserchips führt zu einer Änderung der Zentralwellenlänge der Emission des Lasers und ändert ihrerseits die Raman-Verstärkung des raman-optischen Verstärkers. Die Leistung eines unstabilisierten Pumplasers muss als solche im Wesentlichen konstant bleiben, was zu einem begrenzten Dynamikbereich führt.
Um die Probleme zu vermeiden, die mit der Verwendung unstabilisierter Pumplaser als optische Pumpen für raman-optische Verstärker verknüpft sind, werden als Pumpquellen für Raman-Verstärker in optischen Übertragungssystemen mit hoher Dichte und hoher Geschwindigkeit üblicherweise Laserdioden des Fabry-Perot-(FP-)Typs mit Faser-Bragg-Gitter-(FBG-)Wellenlängenstabilisierung verwendet. Derartige Laserdioden bieten eine ausgezeichnete Wellenlängenstabilisierung und feste Ausgangswellenlängen. Das relative Intensitätsrauschen (RIN) derartiger stabilisierter Laser reicht jedoch häufig nicht für die strengen Anforderungen optischer Systeme und Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte aus. Die US-Patentveröffentlichung Nr. 2003/0067952 A1 vom 10. April 2003 stellt ein Halbleiterlasermodul in einem Raman-Verstärkungssystem dar, das stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) steuert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen aufgezeigt, an die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale sind in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung überwindet in mehreren Ausführungsformen die nach dem Stand der Technik bestehenden Mängel, indem sie wellenlängenstabilisierte und unstabilisierte Laserdioden des Fasergittertyps schafft, die ein geringes relatives Intensitätsrauschen aufwiesen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Verringern des relativen Intensitätsrauschens einer Laserdiode des Fasergittertyps, die ein Fasergitter und eine Laserdiode aufweist, das Erfassen eines reflektierten Teils eines optischen Signals der Laserdiode, wobei der reflektierte Teil des optischen Signals durch das Fasergitter reflektiert wird, ferner das Bestimmen des relativen Intensitätsrauschens der Laserdiode aus dem erfassten optischen Signal und das Verringern einer Differenz zwischen einer Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode und einer Wellenlänge für maximale Reflexion eines Fasergitters der Laserdiode des Fasergittertyps auf eine Weise, die bestrebt ist, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode des Fasergittertyps durch Steuern der Temperatur der Laserdiode oder des Fasergitters zu verringern.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Steuervorrichtung für das relative Intensitätsrauschen (RIN-Steuervorrichtung) zum Steuern des RIN einer Laserdiode des Fasergittertyps, die ein Fasergitter und eine Laserdiode aufweist, einen optischen Detektor zum Erfassen eines reflektierten Teils eines optischen Signal der Laserdiode, wobei der reflektierte Teil des optischen Signals vom Fasergitter reflektiert wird, und eine Steuereinheit, die einen Speicher zum Speichern von Informationen und Programmbefehlen sowie einen Prozessor zum Ausführen der Befehle aufweist, wobei die Steuereinheit so beschaffen ist, dass sie die folgenden Schritte ausführt: Bestim men des relativen Intensitätsrauschens der Laserdiode aus dem erfassten optischen Signal und Verringern einer Differenz zwischen einer Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode und einer Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters auf eine Weise, die bestrebt ist, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode durch Steuern der Temperatur der Laserdiode oder des Fasergitters zu verringern.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Laserdiode des Fasergittertyps mit gesteuertem relativem Intensitätsrauschen (RIN) eine Laserdiode zum Bereitstellen eines optischen Signals, ein Fasergitter zum Reflektieren wenigstens eines Teils des optischen Signals zurück zur Laserdiode, einen optischen Detektor zum Erfassen des reflektierten Teils des optischen Signals der Laserdiode und eine Steuereinheit, die einen Speicher zum Speichern von Informationen und Programmbefehlen sowie einen Prozessor zum Ausführen der Befehle aufweist. Die Steuereinheit ist so beschaffen, dass sie die folgenden Schritte ausführt: Bestimmen des relativen Intensitätsrauschens der Laserdiode aus dem erfassten optischen Signal und Verringern der Differenz zwischen der Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode und der Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters auf eine Weise, die bestrebt ist, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode durch Steuern der Temperatur der Laserdiode oder des Fasergitters zu verringern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Lehren der vorliegenden Erfindung sind ohne Weiteres zu verstehen, indem die nachfolgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird, in der:
1 einen schematischen Blockschaltplan einer Ausführungsform eines wellenlängenstabilisierten Lasers der vorliegenden Erfindung mit geringem relativem Intensitätsrauschen (RIN) veranschaulicht;
2 einen schematischen Blockschaltplan einer Ausführungsform einer Steuereinheit veranschaulicht, die für die Verwendung in dem wellenlängenstabilisierten Laser von 2 mit geringem RIN geeignet ist; und
3 einen schematischen Blockschaltplan eines typischen wellenlängenstabilisierten Lasers veranschaulicht, der eine Ausführungsform einer Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung für das relative Intensitätsrauschen umfasst.
Um das Verständnis zu erleichtern, sind, wo es möglich ist, identische Bezugszeichen verwendet, um identische, den Figuren gemeinsame Elemente zu kennzeichnen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl hierin verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf stabilisierte Laserdioden mit Fasergitter beschrieben werden, dürfen die hierin beschriebenen bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend angesehen werden. Für den Fachmann auf dem Gebiet, der durch die Lehren der vorliegenden Erfindung informiert ist, ist es klar, dass die Konzeptionen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen in jedem Lasersystem mit einem Fasergitter und im Wesentlichen für jede Anwendung eingesetzt werden können, in der ein Laser mit geringem relativem Intensitätsrauschen erwünscht ist.
Wellenlängenstabilisierte Laser mit Fasergitter weisen üblicherweise eine Laserdiode, ein Fokussierungssystem, ein Fasergitter (üblicherweise ein Faser-Bragg-Gitter) und eine Übertragungsfaser auf. Die Laserdiode wird durch Strominjektion gepumpt und ist so ausgebildet, dass sie Strahlung hauptsächlich aus einer Frontfacette emittiert. In derartigen wellenlängenstabilisierten Lasern mit Fasergitter wird das optische Signal der Laserdiode fokussiert und durch das Fokussierungssystem in die Übertragungsfaser eingekoppelt. Das fokussierte optische Signal breitet sich entlang der Übertragungsfaser in das Fasergitter im inneren Kern aus. Das Fasergitter ist in der Nähe des Führungsmodus-Abschnitts der Übertragungsfaser geätzt. Das Fasergitter derartiger wellenlängenstabilisierter Laser mit Fasergitter ist so gefertigt, dass die Wellenlänge seiner maximalen Reflexion innerhalb der Verstärkungsbandbreite der Laserdiode liegt. Das Fasergitter im inneren Kern reflektiert einen Bruchteil der Signalemission der Laserdiode durch die Übertragungsfaser zurück in die Laserdiode. Der Rest des Lichts verläuft durch das Fasergitter und breitet sich entlang der restlichen Länge der Übertragungsfaser aus. Die Wirkung des Fasergitters auf die Charakteristiken des optischen Ausgangs der Laserdiode ist zu erklären, indem die wellenlängenabhängige Verstärkung im gekoppelten, durch das Fasergitter gebildeten Hohlraum betrachtet wird. Die optische Rückkopplung aus dem Fasergitter erhöht innerhalb der Bandbreite des Fasergitters wirksam die Verstärkung des Lichts aus dem Laserhohlraum. Es ist allgemein bekannt, dass der Laser bevorzugt in der Nähe der Wellenlänge der höchsten Verstärkung betrieben werden kann; daher wird die Wellenlänge der Laserdiode von ihrem Wert beim Freilauf zur Wellenlänge des Fasergitters verschoben. Das geschieht, wenn die Wellenlänge des Fasergitters innerhalb der Verstärkungsbandbreite der Laserdiode liegt, sofern das Reflexionsvermögen aus dem Fasergitter heraus einen ausreichend hohen Betrag hat.
Das Verhalten der Laserdiode unter Bedingungen optischer Rückkopplung wird durch die Wirkung des Laserdiodenhohlraums selbst kompliziert, der durch die Endfacetten des Halbleiterchips gebildet wird. Das Reflexionsvermögen des Fasergitters sowie dessen Wellenlänge werden so gewählt, dass die Breitbandrückkopplung aus dem Laserdiodenhohlraum stärker ist als die Rückkopplung aus dem Fasergitter. Unter diesen Umständen wirkt die Rückkopplung aus dem Fasergitter als Störung des im Laserdiodenhohlraum gebildeten kohärenten elektrischen Feldes. Diese Störung bewirkt, dass die Kohärenz der Emission der Laserdiode aufgehoben wird, sodass sich die Bandbreite der Emission um mehrere Größenordnungen erhöht. Das Fasergitter arretiert den Hohlraumausgang der Laserdiode wirksam bei der festen Wellenlänge des Fasergitters und zentriert die externen mehrfach-longitudinalen Moden des Hohlraums um diese Wellenlänge. Außerdem bleibt die Zentralwellenlänge der Emission aus der Laserdiode nahe bei der Wellenlänge der maximalen Reflexion des Fasergitters. Die Laserdiode ist daher darauf beschränkt, innerhalb der Bandbreite des Fasergitters zu arbeiten, sodass durch Änderungen der Temperatur oder der Stromstärke verursachte starke Schwankungen in der Wellenlänge der Laserdiode ausgeschlossen sind. Das bedeutet, die Laserdiode des wellenlängenstabilisierten Lasers mit Fasergitter unterliegt keinen Übergängen von Longitudinal-Moden des Laserhohlraums, wie sie bei freilaufenden Laserdioden beobachtet werden. Derartige Übergänge bewirken im Laserdiodenausgang starke Intensitätsschwankungen, die durch die Konkurrenz zwischen zwei Moden während des Übergangs verursacht werden. Diese Modenübergänge werden beispielsweise durch Änderungen des Laser-Injektionsstroms oder der Temperatur bewirkt und sind dem Betrieb eines optischen Verstärkers oder eines Lasers abträglich.
Die Erfinder bemerkten, dass bei derartigen wellenlängenstabilisierten Lasern mit Fasergitter das relative Intensitätsrauschen umso höher ist, je größer der Abstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert einer Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert eines Fasergitters ist. An sich schlagen die Erfinder hierin ein neuartiges Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Steuern von stabilisierten und unstabilisierten Laser des Fa sergittertyps vor, wobei eine Erfassung des Intensitätsrauschens verwendet wird.
1 veranschaulicht einen schematischen Blockschaltplan einer Ausführungsform eines wellenlängenstabilisierten Lasers der vorliegenden Erfindung mit gesteuertem relativem Intensitätsrauschen (RIN). Der wellenlängenstabilisierte Laser 100 von 1 mit gesteuertem RIN weist eine Laserdiode (zur Veranschaulichung eine Fabry-Perot-(FP-)Laserdiode) 110, ein Fasergitter (zur Veranschaulichung ein Faser-Bragg-Gitter) 120, einen optischen Abgriff 130, einen optischen Detektor (zur Veranschaulichung eine Photodiode) 140, eine Steuereinheit 145 und eine Übertragungsfaser 150 auf. Optional kann der wellenlängenstabilisierte Laser 100 von 1 mit gesteuertem RIN weiterhin einen (nicht gezeigten) optischen Isolator aufweisen, der ausgangsseitig des Fasergitters 120 angeordnet ist, um zu verhindern, dass die optische Leistung aus der Übertragungsleitung (z. B. aus rückwärtigen Raman-Pumpen oder ASE-Rauschen aus einem EDFA) die Laserdiode 110 erreicht und eine RIN-Verschlechterung bewirkt. In dem wellenlängenstabilisierten Laser 100 von 1 mit gesteuertem RIN weisen der optische Detektor 140 und die Steuereinheit 145 gemeinsam eine RIN-Steuervorrichtung 170 auf. Die Nützlichkeit der RIN-Steuervorrichtung 170 wird in Bezug auf eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiter unten beschrieben.
Obwohl verschiedene Bauteile des wellenlängenstabilisierten Lasers 100 von 1 mit gesteuertem RIN als bestimmte Vorrichtungen dargestellt sind, können die veranschaulichten Bauteile von 1 gegen andere derartige Vorrichtungen ausgetauscht werden, die im Wesentlichen ähnliche Funktionen wie die dargestellten Elemente erfüllen. Beispielsweise kann der optische Detektor 140 des wellenlängenstabilisierten Lasers 100 von 1 mit gesteuertem RIN ein optischer Spektrumanalysator (OSA) oder ein optischer Kanalmonitor (OMON) sein. In derartigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der OSA oder der OMON eine Wellenlängendifferenz zwischen einem Laserdioden-Verstärkungsspitzenwert und einem Reflexionsspitzenwert eines Fasergitters bestimmen, indem er ein optisches Spektrum eines optischen Rückkopplungssignals bestimmt, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird. Außerdem kann die Steuereinheit 145 vorteilhaft in verschiedenen anderen Formaten konfiguriert sein, obwohl die Steuereinheit 145 des wellenlängenstabilisierten Lasers 100 von 1 mit gesteuertem RIN als eine separate Einheit dargestellt ist. Beispielsweise kann die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung in einer einzigen Einheit integriert sein, die den optischen Detektor der vorliegenden Erfindung umfasst.
2 zeigt einen schematischen Blockschaltplan einer Ausführungsform einer Steuereinheit, die für die Verwendung im wellenlängenstabilisierten Laser 100 von 1 mit gesteuertem RIN geeignet ist. Die Steuereinheit 145 von 2 weist einen Prozessor 210 sowie einen Speicher 220 zum Speichern von Informationen und Steuerprogrammen auf. Der Prozessor 210 wirkt mit einer herkömmlichen Unterstützungs-Schaltungsanordnung 230 zusammen, wie etwa Stromversorgungen, Taktgeberschaltungen, Cache-Speichern und Ähnlichem, sowie mit Schaltungen, die die Ausführung der im Speicher 220 abgelegten Softwareroutinen unterstützen. An sich wird davon ausgegangen, dass einige der hierin als Softwareprozesse besprochenen Prozessschritte in Hardware implementiert sein können, beispielsweise als Schaltungsanordnung, die mit dem Prozessor 210 zusammenwirkt, um verschiedene Schritte auszuführen. Die Steuereinheit 145 enthält auch eine Eingangs-/Ausgangs-Schaltungsanordnung 240, die ein Interface zwischen den verschiedenen funktionellen Elementen bildet, die mit der Steuereinheit 145 kommunizieren. Beispielsweise kommuniziert in der Ausführungsform von 1 die Steuereinheit 145 mit dem optischen Detektor 140 über einen Signalweg S1 sowie mit der Laserdiode 110 und dem Fasergitter 120 über Signalwege O₁ bzw. O₂.
Die Erfindung kann in Hardware implementiert sein, beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), obwohl die Steuereinheit 145 von 2 als Universalcomputer dargestellt ist, der so programmiert ist, dass er verschiedene Steuerfunktionen gemäß der vorliegenden Erfindung ausführen kann. An sich sollen die hierin beschriebenen Prozessschritte dahingehend umfassend interpretiert werden, dass sie gleichermaßen durch Software, Hardware oder eine Kombination daraus ausgeführt werden können.
Wie wiederum in 1 gezeigt ist, wird die Laserdiode 110 des wellenlängenstabilisierten Lasers 100 von 1 mit gesteuertem RIN durch Strominjektion gepumpt und ist so ausgeführt, dass sie Strahlung hauptsächlich aus einer Frontfacette 112 emittiert. Die Übertragungsfaser 150 kann entweder mit der Laserdiode 110 gekoppelt oder nahe genug angebracht sein, sodass sich die optische Emission der Laserdiode 110 in den Führungsmodus-Abschnitt der Übertragungsfaser 150 ausbreitet. Alternativ kann ein wellenlängenstabilisierter Laser mit gesteuertem RIN gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin ein Fokussierungssystem umfassen, das aus einem Linsensystem besteht, um die Emission der Laserdiode in die Übertragungsfaser zu fokussieren.
Die optische Emission der Laserdiode 110 breitet sich entlang der Übertragungsfaser 150 zum Faser-Bragg-Gitter 120 im inneren Kern aus. Das Fasergitter 120 kann in der Nähe des Führungsmodus-Abschnitts der Übertragungsfaser 150 mit Hilfe bekannter Lithographieverfahren geätzt sein. Alternativ kann das Fasergitter 120 erzeugt werden, indem die Übertragungsfaser 150 einem Muster von periodischen Intensitätsvariationen von intensivem Ultraviolettlicht ausgesetzt wird. Wenn das letztgenannte Verfahren angewendet wird, um das Fasergitter der vorliegenden Erfindung zu fertigen, ist es zweckmäßig, wenn der Kern der Übertragungsfaser eine Konzentration an Germanium aufweist, damit der Kern für das das Fasergitter erzeugende Ultraviolettlicht empfindlich ist. Die Übertragungsfaser der vorliegenden Erfindung kann eine Faser sein, die bei der Emissionswellenlänge der Laserdiode der vorliegenden Erfindung einen einzelnen oder mehrere räumliche Moden unterstützt.
In 1 stellt das Fasergitter 120 eine optische Rückkopplung zur Laserdiode 110 bereit, indem ein Teil des emittierten optischen Signals zur Laserdiode 110 zurück reflektiert wird. Ein Teil des optischen Rückkopplungssignals wird durch den optischen Koppler 130 abgegriffen und zum optischen Detektor 140 gelenkt. Der optische Detektor 140 misst die spektralen Eigenschaften des optischen Rückkopplungssignals und leitet die Messergebnisse, einschließlich Informationen über die Intensität des reflektierten optischen Signals, an die Steuereinheit 145 weiter.
Die Steuereinheit 145 empfängt vom optischen Detektor 140 die optischen Messergebnisse, die wenigstens die Signalintensität des reflektierten optischen Signals umfassen, und bestimmt die Änderung der Intensität des reflektierten optischen Signals als Funktion der Zeit. Die Steuereinheit ist an sich in der Lage, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode 110 zu bestimmen. Aus der Bestimmung der Höhe des relativen Intensitätsrauschens der Laserdiode 110 erzeugt die Steuereinheit 145 relativ zum Abstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode 110 und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters 120 ein Steuersignal. Das von der Steuereinheit 145 erzeugte Steuersignal wird entweder an die Laserdiode 110 oder an das Fasergitter 120 (oder an beide) angelegt, um die Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode 110 oder des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters 120 (oder von bei den) auf eine Weise einzustellen, die bestrebt ist, die ermittelte relative Rauschintensität zu verringern.
In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Abgriff nicht notwendig, obwohl im wellenlängenstabilisierten Laser 100 von 1 mit gesteuertem RIN ein Teil des optischen Feedbacksignals aus dem Fasergitter 120 durch den optischen Koppler 130 abgegriffen und zum optischen Detektor 140 gelenkt wird, um die spektralen Eigenschaften des optischen Signals zu messen, die letztlich dazu dienen, das RIN der Laserdiode 110 zu bestimmen. Genauer gesagt, kann in alternativen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen eine enthaltene Laserdiode eine Photodiode mit rückwärtiger Facette aufweist, wie sie in derartigen Laserdioden gewöhnlich zum Steuern der mittleren Ausgangsleistung des Laserchips verwendet wird, ein Teil eines durch die Photodiode mit rückwärtiger Facette erfassten Signals zu einer Steuereinheit der vorliegenden Erfindung übertragen werden, um das RIN der Laserdiode zu bestimmen und ein Steuersignal relativ zum Abstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode 110 und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters 120 zu erzeugen, wobei das Steuersignal dazu dient, die Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode 110 oder des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters 120 (oder von beiden) auf eine Weise einzustellen, die bestrebt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung die ermittelte relative Rauschintensität zu verringern.
Wie zuvor beschrieben, bemerkten die Erfinder, dass das relative Intensitätsrauschen umso höher ist, je größer der Abstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert einer Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert eines Fasergitters ist. An sich bestimmt in verschiedenem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung aus der Höhe des gemessenen relativen Intensitätsrauschens im reflektierten optischen Signal einen Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters. Die Steuereinheit erzeugt dann ein Steuersignal relativ zum ermittelten Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters. Das Steuersignal wird erzeugt, um den Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters zu ändern, sodass das gemessene relative Intensitätsrauschen verringert wird.
Beispielsweise wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters durch die Steuereinheit unter Verwendung einer vorgegebenen Tabelle bestimmt, die sich in einem Speicher der Steuereinheit befindet. Die gespeicherte Tabelle der Steuereinheit korreliert verschiedene Trennabstände zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters mit entsprechenden Höhen von relativen Intensitätsrauschpegeln. An sich erzeugt die Steuereinheit ein Steuersignal relativ zum ermittelten Trennabstand, um den Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters auf eine Weise zu ändern, die bestrebt ist, das relative Intensitätsrauschen zu verringern.
Die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielsweise so beschaffen, dass sie ein Steuersignal erzeugt, das den Injektionsstrom zur Laserdiode verringert oder erhöht, sodass die Temperatur der Laserdiode geändert wird. Wenn der Injektionsstrom geändert wird, ändert sich über die Änderung der Trägerdichte der Brechungsindex des Halbleiters. Die Änderung der Temperatur der Laserdiode führt zu einer Änderung der Wel lenlänge beim Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode, sodass der Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters sowie das relative Intensitätsrauschen an sich verringert wird.
Jedoch kann in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die Ausgangsleistung einer Laserdiode konstant bleiben soll, die Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode der vorliegenden Erfindung durch Einstellen der Temperatur der Laserdiode über einen enthaltenen thermoelektrischen Kühler geändert werden. Genauer gesagt, enthalten viele Laserdioden eine aktive Temperatursteuerung (z. B. einen thermoelektrischen Kühler) zum Einstellen der Temperatur der Laserdiode, damit Alterungseffekte korrigiert werden. Beispielsweise muss auf Grund der Alterung einer Laserdiode der Treiberstrom gewöhnlich erhöht werden, um die Ausgangsleistung der Laserdiode konstant zu halten. An sich muss die Laserdiodentemperatur, beispielsweise durch einen thermoelektrischen Kühler, verringert werden, um einer durch den Anstieg des Treiberstroms bewirkten Verschiebung des Verstärkungsspitzenwerts der Emissionswellenlänge der Laserdiode entgegenzuwirken. An sich kann eine Steuereinheit der vorliegenden Erfindung ein Steuersignal erzeugen, um über einen enthaltenen thermoelektrischen Kühler die Temperatur der Laserdiode auf eine Weise einzustellen, die bestrebt ist, eine relative Rauschintensität der Laserdiode zu verringern.
In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung so beschaffen sein, dass sie ein Steuersignal erzeugt, um die Wellenlänge des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters beispielsweise dadurch zu ändern, dass die Temperatur eines thermisch abstimmbaren Fasergitters geändert wird. Wiederum führt die Änderung der Temperatur des Fasergitters zu einer Änderung der Wel lenlänge beim Reflexionsspitzenwert des Fasergitters, sodass der Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters sowie das relative Intensitätsrauschen an sich verringert wird. Wiederum weiterhin kann die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung, wie zuvor angemerkt, alternativ so beschaffen sein, dass sie ein Steuersignal erzeugt, um sowohl die Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode als auch die Wellenlänge des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters zu ändern, sodass der Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters sowie das relative Intensitätsrauschen an sich verringert wird.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die Steuereinheit die Wellenlänge entweder des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode oder des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters (oder von beiden) stattdessen iterativ ein, um den Trennabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode und dem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters zu ändern, sodass das relative Intensitätsrauschen verringert wird. Die Steuereinheit in einer solchen Ausführungsform untersucht die spektralen Informationen aus dem optischen Detektor und bestimmt einen relativen Intensitätsrauschpegel der Laserdiode und zeichnet ihn auf. Die Steuereinheit vergleicht dann den neu aufgezeichneten relativen Intensitätsrauschpegel mit einem bestehenden relativen Intensitätsrauschpegel, der bei einer vorausgegangenen Iteration aufgezeichnet wurde. Liegt kein vorausgegangener relativer Intensitätsrauschpegel vor (das ist bei einer ersten Iteration der Fall), dann erzeugt die Steuereinheit, wie oben beschrieben, ein Steuersignal zum Einstellen der Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode oder zum Einstellen des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters (oder zum Einstellen von beiden), um zu versuchen, den ermittelten relativen Intensitätsrauschpegel zu verrin gern. Die Steuereinheit stellt die Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode oder des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters (oder von beiden) bei dieser ersten Iteration entweder nach oben oder nach unten ein und zeichnet die Richtung der Änderung auf. Der Betrag des Steuersignals wird durch ein zuvor festgelegtes Maximum für jede Iteration eingestellt.
Bei der nächsten Iteration untersucht die Steuereinheit wiederum einen neuen relativen Intensitätsrauschpegel, der aus den neuen, vom optischen Detektor empfangenen spektralen Informationen bestimmt wird, zeichnet ihn auf und vergleicht dann den neu aufgezeichneten relativen Intensitätsrauschpegel mit dem zuvor aufgezeichneten relativen Intensitätsrauschpegel. Wenn der relative Intensitätsrauschpegel im Vergleich zum relativen Intensitätsrauschpegel der vorausgegangenen Iteration anstieg, dann erzeugt die Steuereinheit ein Steuersignal zum Einstellen der Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode oder des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters (oder von beiden), und zwar in der entgegengesetzten Richtung wie derjenigen bei der vorausgegangenen Iteration, um zu versuchen, den relativen Intensitätsrauschpegel zu verringern. Wenn der relative Intensitätsrauschpegel im Vergleich zum relativen Intensitätsrauschpegel der vorausgegangenen Iteration abnahm, dann erzeugt die Steuereinheit wiederum ein Steuersignal zum Einstellen der Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts der Laserdiode oder des Reflexionsspitzenwerts des Fasergitters (oder von beiden), und zwar in derselben Richtung wie derjenigen in der vorausgegangenen Iteration, um zu versuchen, den relativen Intensitätsrauschpegel weiter zu verringern.
Die Abtastrate und die Verarbeitungsrate des optischen Detektors bzw. der Steuereinheit können so eingerichtet sein, dass je nach der im System gewünschten Empfindlichkeit ein weiter Bereich von Aktualisierungshäufigkeiten bereitgestellt wird. Beispielsweise können die Iterationen des optischen Detektors und der Steuereinheit so eingerichtet sein, dass sie kontinuierlich ablaufen. Die vorliegende Erfindung kann in einem weiten Bereich von Aktualisierungshäufigkeiten vorteilhaft ausgeführt werden, die lediglich durch die konkret eingesetzten Bauteile begrenzt sind, beispielsweise den optischen Detektor und die Steuereinheit. Die Steuereinheit kann außerdem so konfiguriert sein, dass sie einen weiten Bereich von Skalierungsfaktoren bereitstellt, die auf das erzeugte Steuersignal angewandt werden. Beispielsweise kann das Steuersignal durch die Steuereinheit in Bruchteilen eines gesamten Injektionsstroms der Laserdiode gesteigert oder verringert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können wieterhin in Systemen mit Lasern des Fasergittertyps ausgeführt werden, um eine Wellenlängendifferenz zwischen dem Verstärkungsspitzenwert einer Laserdiode und einem Reflexionsspitzenwert eines Fasergitters zu bestimmen. Das bedeutet, die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung kann durch Überwachung des relativen Intensitätsrauschens, wie oben beschrieben, eine Wellenlängendifferenz zwischen dem Verstärkungsspitzenwert einer Laserdiode und einem Reflexionsspitzenwert eines Fasergitters bestimmen. Dies kann durch Speichern einer Tabelle in einem Speicher der Steuereinheit erfolgen, wobei Höhen des relativen Intensitätsrauschens mit entsprechenden Wellenlängendifferenzen zwischen dem Verstärkungsspitzenwert einer Laserdiode und einem Reflexionsspitzenwert eines Fasergitters verknüpft werden. Informationen hinsichtlich des Wellenlängenabstands zwischen dem Verstärkungsspitzenwert einer Laserdiode und einem Reflexionsspitzenwert eines Fasergitters können bei anderen Anwendungen nützlich sein.
Weiterhin können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Systemen ausgeführt werden, die wellenlängenstabilisierte Laser mit Fasergitter aufweisen, um zu bestimmen und zu überwachen, ob eine enthaltene Laserdiode durch ein Fasergitter arretiert ist. Genauer gesagt, kann die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung in derartigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch Überwachung des relativen Intensitätsrauschens, wie oben beschrieben, bestimmen, ob eine Laserdiode vom Fasergitter entarretiert wird, wenn eine abrupte beträchtliche Änderung des relativen Intensitätsrauschens erfasst wird. In einem solchen Fall besteht das Emissionsspektrum der Laserdiode nicht mehr aus der Wellenlänge, bei der das Fasergitter sein maximales Reflexionsvermögen hat. An sich kann ein arretierter oder ein entarretierter Zustand bestimmt werden.
Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf wellenlängenstabilisierte Laserdioden beschrieben wurden, können die Konzeptionen der vorliegenden Erfindung in Systemen ausgeführt werden, die unstabilisierte Laserdioden aufweisen, um eine relative Rauschintensität zu verringern oder alternativ zu bewirken, dass ein unstabilisierter Laser durch Einstellen der Wellenlänge des Verstärkungsspitzenwerts einer enthaltenen Laserdiode oder des Reflexionsspitzenwerts eines enthaltenen Fasergitters (oder von beiden) stabilisiert wird, sodass die Zentralwellenlänge der Emission aus der Laserdiode in der Nähe der Wellenlänge der maximalen Reflexion des Fasergitters bleibt.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zuvor beschriebene RIN-Steuervorrichtung 170 der vorliegenden Erfindung in ein bestehendes Laserdiodensystem des Fasergittertyps integriert sein, um die Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen. Beispielsweise veranschaulicht 3 einen schematischen Blockschaltplan eines typischen wellenlängenstabilisierten Lasers. Der wellenlängenstabilisierte Laser 300 von 3 weist eine Laserdiode 310, ein Fokussierungssystem 315, ein Fasergitter (zur Veranschaulichung ein Faser-Bragg-Gitter) 320 und eine Übertragungsfaser 350 auf. Die Laserdiode 310 von 3 wird durch Strominjektion gepumpt und ist so ausgeführt, dass sie Strahlung hauptsächlich aus einer Frontfacette 312 emittiert. 3 veranschaulicht außerdem eine Ausführungsform der RIN-Steuervorrichtung 170 der vorliegenden Erfindung. Die RIN-Steuervorrichtung 170 von 3 weist eine Steuereinheit 145 und einen optischen Detektor 140 auf.
Durch Abgreifen eines Teils eines reflektierten optischen Signals des wellenlängenstabilisierten Lasers, wie in 3 dargestellt, und Weiterleiten des abgegriffenen Teils des Signals an eine hinzugefügte RIN-Steuervorrichtung 170 gemäß der vorliegenden Erfindung kann das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode überwacht werden und dazu dienen, einen Wellenlängenabstand zwischen dem Verstärkungsspitzenwert der Laserdiode 310 und einem Reflexionsspitzenwert des Fasergitters 320 zu steuern, wie oben beschrieben. An sich kann ein vorhandenes Laserdiodensystem durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung modifiziert werden, um die Fähigkeit einzubeziehen, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung zu steuern.
Obwohl das Vorstehende auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet ist, können andere und weitere Ausführungsform der Erfindung ersonnen werden, ohne dass von deren grundlegendem Umfang abgewichen wird. Als solcher ist der entsprechende Umfang der Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche zu bestimmt.

Claims

Verfahren zum Verringern eines relativen Intensitätsrauschens einer Laserdiode des Fasergittertyps, die ein Fasergitter (120) und eine Laserdiode (110) enthält, das aufweist: Erfassen (140) wenigstens eines Teils eines reflektierten optischen Signals der Laserdiode des Fasergittertyps; Bestimmen (145) des relativen Intensitätsrauschens der Laserdiode (110) unter Verwendung des erfassten reflektierten optischen Signals; und Verringern (O1, O2) einer Differenz zwischen einer Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und einer Wellenlänge für maximale Reflexion eines Fasergitters (120) der Laserdiode des Fasergittertyps auf eine Weise, die bestrebt ist, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode des Fasergittertyps durch Steuern der Temperatur entweder der Laserdiode oder des Fasergitters zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differenz zwischen der Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und der Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) durch Einstellen der Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und/oder der Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das relative Intensitätsrauschen durch Erfassen (140) einer zeitabhängigen Änderung der Intensität der Ausgangsleistung des erfassten optischen Signals bestimmt wird.
Steuervorrichtung für das relative Intensitätsrauschen (RIN-Steuervorrichtung) zum Steuern des RIN einer Laserdiode des Fasergittertyps, die ein Fasergitter (120) und eine Laserdiode (110) enthält, mit: einem optischen Detektor (140) zum Erfassen wenigstens eines Teils eines reflektierten optischen Signals der Laserdiode des Fasergittertyps; und einer Steuereinheit (145), die einen Speicher (220) zum Speichern von Informationen und Programmbefehlen und einen Prozessor (210) zum Ausführen der Befehle aufweist, wobei die Steuereinheit (145) so beschaffen ist, dass sie die folgenden Schritte ausführt: Bestimmen des relativen Intensitätsrauschens der Laserdiode (110) aus dem erfassten reflektierten optischen Signal; und Verringern einer Differenz zwischen einer Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und einer Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) auf eine Weise, die bestrebt ist, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode (110) zu verringern, indem die Temperatur der Laserdiode oder des Fasergitters gesteuert wird.
RIN-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Differenz zwischen der Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und der Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) durch die Steuereinheit (145) aus dem erfassten optischen Signal bestimmt wird.
RIN-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (145) eine Nachschlagtabelle in dem Speicher (220) aufweist, um eine Differenz zwischen einer Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und einer Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) mit einem entsprechenden relativen Intensitätsrauschpegel zu korrelieren, und wobei die Differenz der Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und der Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) durch die Steuereinheit (145) unter Verwendung des bestimmten relativen Intensitätsrauschens und der Nachschlagtabelle bestimmt wird.
RIN-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (145) ferner so beschaffen ist, dass sie ein Steuersignal (O1, O2) erzeugt, um die Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und/oder die Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) in der Weise einzustellen, dass die Differenz zwischen der Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und der Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) verringert wird.
Laserdiode des Fasergittertyps mit gesteuertem relativen Intensitätsrauschen (RIN), mit: einer Laserdiode (110), die ein optisches Signal bereitstellt; einem Fasergitter (120) zum Reflektieren wenigstens eines Teils des optischen Signals zurück zu der Laserdiode (110) und zum Senden des verbleibenden Teils des optischen Signals; einem optischen Detektor (140) zum Erfassen des reflektierten Teils des optischen Signals; und einer Steuereinheit (145), die einen Speicher (220) zum Speichern von Informationen und von Programmbefehlen und einen Prozessor (210) zum Ausführen der Befehle aufweist, wobei die Steuereinheit (145) so beschaffen ist, dass sie die folgenden Schritte ausführt: Bestimmen des relativen Intensitätsrauschens der Laserdiode (110) aus dem erfassten reflektierten optischen Signal; und Verringern einer Differenz zwischen einer Wellenlänge für maximale Verstärkung der Laserdiode (110) und einer Wellenlänge für maximale Reflexion des Fasergitters (120) auf eine Weise, die bestrebt ist, das relative Intensitätsrauschen der Laserdiode (110) zu verringern, indem die Temperatur der Laserdiode oder des Fasergitters gesteuert wird.
RIN-gesteuerte Laserdiode des Fasergittertyps nach Anspruch 8, wobei das Fasergitter (120) in der Nähe eines Führungsmodus-Abschnitts einer Lichtleitfaser (150) der RIN-gesteuerten Laserdiode des Fasergittertyps geätzt ist, wobei die Lichtleitfaser (150) verwendet wird, um optische Signale der Laserdiode (110) auszubreiten.