DE69101414T2

DE69101414T2 - Optischer Impulsgeber.

Info

Publication number: DE69101414T2
Application number: DE69101414T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Kawaguchi; Kiichiro Shinokura
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-29
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2011-07-30
Also published as: EP0468826A3; JPH0484485A; US5181213A; DE69101414D1; EP0468826B1; EP0468826A2; JPH0777279B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Impulsgeber, und insbesondere auf einen optischen Impulsgeber, der ein Halbleiterlasermedium als Lichtquelle verwendet.
Es gibt optische Impulsgeber, die ein Halbleiterlasermedium als Lichtquelle verwenden, und die so ausgelegt sind, daß eine optische Faser zur Festlegung eines Strahlengangs in einem Lichtleiter an die lichtemittierende Austrittsfläche des Halbleiterlasermediums angekoppelt ist, wodurch ein äußerer Resonator gebildet wird, und im Halbleiterlasermedium phasengekoppelte Schwingungen zur Erzeugung optischer Impulse hervorgerufen werden.
Mit solchen optischen Impulsgebern sollen optische Impulse mit einer schmalen Spektralbreite von 100 GHz oder weniger und einer Impulsbreite bis zu 50 Ps (Pikosekunden) oder weniger erzeugt werden. Zur Erzeugung solcher optischer Impulse ist es wegen der verminderten Wellenlängenabhängigkeit der Reflektivität bei einer Monomodefaser notwendig, die Reflektivität R&sub2; der nicht reflektierenden Schicht auf der Austrittsfläche des Halbleiterlasermediums, wo die optische Faser angekoppelt ist, auf einen Wert von ungefähr R&sub2; = 2 10&supmin;&sup4; zu erniedrigen. Dieser Wert ist jedoch nur schwer erreichbar, und zudem ist es schwierig die Reproduzierbarkeit bei Werten von R&sub2; = 10&supmin;² oder niedriger zu gewährleisten. Erhöht sich die Refleküvität R&sub2;, so werden die von der Länge des Halbleiterlaserelements abhängigen longitudinale Eigenschwingungen (diese Eigenschwingung werden im weiteren "gerätespezifische Modes" genannt) verstärkt, und es entsteht das in Fig. 1 durch die durchgezogene Linie angedeutete Schwingungsspektrum. Der Abstand zwischen den von der Länge des Elements abhängigen longitudinalen Eigenschwingungen ist als Δλ&sub1; bezeichnet. Dies reduziert den Pegel der Komponente des Hauptschwingungsmodes, wodurch der Verengung der Spektralbreite und Impulsbreite der optischen Impulse eine Beschränkung aufgelegt wird.
Es ist deshalb ein Anliegen der vorliegenden Erfindung einen optischen Impulsgeber bereitzustellen, der in der Lage ist, optische Impulse zu erzeugen, die eine schmale Impulsbreite und eine schmalere Spektralbreite haben, selbst wenn die Reflektivität der Austrittsfläche des Halbleiterlasermediums, an die die optische Faser gekoppelt ist, ungefähr 1% (= 10&supmin;²) beträgt.
Um dieses Anliegen zu erreichen, zielt die Erfindung so wie sie in Anspruch 1 definiert ist darauf ab, einen optischen Impulsgeber bereitzustellen, welcher ein Halbleiterlasermedium und einen äußeren Resonator umfaßt, um zur Erzeugung von optischen Impulsen phasengekoppelte Schwingungen im Halbleiterlasermedium hervorzurufen; wobei der äußere Resonator einen Strahlengang in einem Lichtleiter umfaßt, welcher ein reflektierendes Element zur Reflexion eines Teils eines vom Halbleiterlasermedium ausgesandten Strahls enthält; wobei dieses reflektierende Element eine wellenlängenabhängige Reflexionscharakteristik hat, bei der eine Miftenwellenlänge eines Wellenlängenbereichs mit hoher Reflektivität in einen Verstärkung zeigenden Wellenlängenbereich des Halbleiterlasermediums fällt, und die Leitungshalbwertsbreite gleich oder kleiner dem doppelten Abstand zwischen zwei gerätespezifischen Moden ist.
Bei einem erfindungsgemäßen optischen Impulsgeber unterdrückt das reflektierende Element in Strahlengang des Lichtleiters alle Komponenten des Halbleiterlasermediums außer der Komponente der zu dem Element gehörenden Eigenschwingung mit höchster Verstärkung (diese Eigenschwingung wird im folgenden als "longitudinaler Hauptschwingungsmode" bezeichnet), wodurch der Pegel der Komponente des longitudinalen Hauptschwingungsmodes erhöht wird.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird im folgenden beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
Fig 1 ein Diagramm, welches das Spektrum (durchgezogene Linie) der Kennlinie der reflektieften Wellenlängen (gestrichelte Linie) des reflektierenden Elements darstellt;
Fig. 2 ein Diagramm, welches den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Impulsgebers zeigt;
Fig. 3 einen Querschnitt, der beispielhaft das in Fig. 2 gezeigte reflektierende Element zeigt; und
Fig. 4 ein Diagramm, welches das Spektrum (durchgezogene Linie) des Hauptschwingungsmodes sowie die Kennlinie der reflektierten Wellenlängen (gestrichelte Linie) eines erfindungsgemäßen reflektierenden Elements darstellt.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat ein Halbleiterlaserelement 1 eine Stirnfläche 1a, die als hochreflektierende Seite dient, und eine gegenüberliegende Stirnfläche 1b, die als niedrigreflektierende, lichtemittierende Austrittsfläche dient. Die Reflektivität der hochreflektierenden Seite 1a, R&sub1;, liegt bei mehr als 0,9, während die Reflektivität der lichtemittierenden Seite, R&sub2;, bei ungefähr 10&supmin;² liegt. Dieses Halbleiterlaserelement 1 wird mit einem HF-(Hochfrequenz)- Strom IRF durch einen Kondensator C versorgt, um Phasenkopplung hervorzurufen, und es wird durch eine Induktionsspule L mit einem Gleichstrom zur Anlegung einer Gleichstromvorspannung versorgt.
Die lichtemittierende Stirnfläche 1b des Halbleiterlaserelements ist z. B. mit einer optischen Faser 2 gekoppelt, welche die Strahlung als Lichtleiter führt. Diese optische Faser 2 hat, z. B. in ihrer Mitte, ein reflektierendes Element 3 dessen Reflektivität R&sub3; ungefähr 0,6 beträgt, und somit einen äußeren Resonator ergibt, welcher das Halbleiterlaserelement 1 zu phasengekoppelten Schwingungen anregt. Das reflektierende Element 3 trägt eine Vielfachbeschichtung (von z. B. sechs Schichten) transparenter Schichten 3b, die unterschiedliche Refleküvitäten aufweisen, und, wie z. B. in Fig. 3 gezeigt, auf ein transparentes Substrat 3a aus Glas, Quarz, Muminium oder ähnlichem aufgebracht sind, und zeigt eine bestimmte, weiter unten ausführlicher beschriebene, Reflexionscharakteristik. Man sollte beachten, daß das reflektierende Element 3 nicht auf diese Bauform beschränkt ist, es kann auch eine Beugungsgitterstruktur aufweisen, die auf der optischen Faser durch Einätzen angebracht wird, oder kann sonst eine beliebige andere Form aufweisen, solange es eine vorbestimmte Charakteristik der reflektierten Wellenlängen aufweist. Die Stellung des reflektierenden Elements 3 ist nicht auf die Mitte der optischen Faser 2 beschränkt, und es kann an der lichtemittierenden Seite der Faser 2 angebracht werden.
Das reflektierende Element 3 hat eine Kennlinie der reflektierten Wellenlängen, bei der die Mittenwellenlänge λc in einem Wellenlängenbereich mit hoher Reflektivität in einen Verstärkung zeigenden Wellenlängenbereich des Halbleiterlaserelements 1 fällt (d. h. der Wellenlängenbereich, in dem der Halbleiter eine Verstärkung des Ausgangsignals erzielen kann) und worin die Leistungshalbwertsbreite der Reflektivität (d. h. die Breite der Wellenlängenkennlinie mit halbem Leistungspegel, bei dem die Intensität 1/ 2 der Spitzenintensität ist) kleiner oder gleich zweimal dem Abstand zwischen Eigenschwingungen des Elements ist. Weiterhin ist die Reflektivität beim longitudinalen Hauptschwingungsmode am höchsten, und die Spektralbreite des longitudinalen Hauptschwingungsmode ist darin enthalten. Mit anderen Worten, mit Bezug auf das Spektrum (durchgezogene Linie) der longitudinalen Eigenschwingnngen des Halbleiterlaserelements 1 sieht diese Kennlinie der reflektieften Wellenlängen so aus, wie in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie dargestellt. In Fig. 1 ist Δλ&sub1; ein Wellenlängenintervall, welches der Zeit entspricht, die der Laserstrahl im Element 1 zum einmaligen Hin- und Rücklauf im Element 1 benötigt, während Δλ&sub2; ein Wellenlängenintervall ist, das der Zeit entspricht, die der Laserstrahl im äußeren Resonator zum einmaligen Hin- und Rücklauf benötigt. Falls die Mittenwellenlänge λc gleich 850 nm, die optische Weglänge des Halbleiterlaserelements 1 gleich 300 um, und die Resonatorlänge, Leff, gleich 15 cm ist, beträgt Δλ&sub1; ungefähr 1,2 nm und Δλ&sub2; ungefähr 0,0024 nm (0,024Å).
Bei der obigen Ausführungsform ist die Entfernung zwischen der hochreflektierenden Seite 1a des Halbleiterlaserelements 1 und dem reflektierenden Element 3, also Leff, gleich der Resonatorlänge, und ein Strom, bei dem der Gleichstrom IDC zur Aufprägung einer Gleichstromvorspannung dem Phasenkopplungs-HF-Strom IRF überlagert ist, wird auf das Element 1 gegeben, um es mit der Moden-Synchronisationsfrequenz anzuregen. Bezeichnet man die Lichtgeschwindigkeit als c, so ergibt sich die Moden- Synchronisationsfrequenz ν zu ν = c/2 Leff. Wenn der von dem angeregten Halbleiterlaserelement 1 erzeugte Laserstrahl mit der Moden-Synchronisationsfrequenz ν über die Resonatorlänge Leff hin- und herläuft, wächst der Laserstrahl als kurzer Impuls an, der mit der Frequenz ν synchronisiert ist. Ein Teil dieses optischen Impulses tritt durch das reflektierende Element 3 als optisches Ausgangssignal hindurch. Da das reflektierende Element 3 eine wie in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie dargestellte Kennlinie der reflektierten Wellenlängen aufweist, unterdrückt es alle Komponenten außer der Komponente des longitudinalen Hauptschwingungsmodes, wie dies in Fig. 4 durch die ausgezogenen Linie dargestellt ist, was zu einer Verbesserung des Pegels der Komponente des longitudinalen Hauptschwingungsmodes führt. Es ist deshalb möglich, optische Impulse mit einer schmaleren Spektralbreite und einer schmaleren Impulsbreite als im optischen Ausgangssignal zu erzeugen.
Wie oben erläutert hat das reflektierende Element im optischen Strahlengang des Lichtleiters in einem erfindungsgemäßen optischen Impulsgeber eine Kennlinie der reflektierten Wellenlängen, bei der die Mittenwellenlänge in einem Wellenlängenbereich mit hoher Reflektivität in den Verstärkung zeigenden Wellenlängenbereich des Halbleiterlasermediums fällt, und die Leistungshalbwertsbreite gleich oder kleiner ist als der zweifache Abstand zwischen gerätespezifischen Moden, so daß alle Komponenten außer der Komponente des longitudinalen Hauptschwingungsmodes unterdrückt werden, wodurch der Pegel der Komponente der longitudinalen Hauptschwingung angehoben wird. Es ist somit möglich, optische Impulse mit einer schmaleren Spektralbreite und einer schmaleren Impulsbreite zu erzeugen, selbst wenn die Reflektivität der Austrittsfläche des Halbleiterlasers, an der eine optische Faser angekoppelt wird, ungefähr 1 % beträgt.
Da dieser optische Impulsgeber optische Impulse mit einer schmaleren Spektralbreite und einer schmaleren Impulsbreite erzielen kann, kann er als Vorrichtung zur Laserwellenlängenkonvertierung verwendet werden, die die SHG-Technik (second harmonics generator - Erzeugung der 2. Harmonischen) anwendet, oder als optischer parametrischer Oszillator, oder als Lichtquelle für ein zeitaufgelöstes Spektrum.

Claims

1. Optischer Impulsgeber, welcher ein Halbleiterlasermedium (1) umfaßt, sowie ein Halbleiterelement und einen äußeren Resonator zur Phasenkopplung der Schwingungen im Halbleiterlasermedium (1) in Abhängigkeit von der Frequenz eines injizierten Stroms zur Erzeugung optischer Impulse enthält;

wobei dieser äußere Resonator die Strahlung in einem Lichtleiter (2) führt, der ein reflektierendes Element (3) zur Reflexion eines Teils des von dem Halbleiterlasermediums (1) emittierten Laserstrahls umfaßt;

wobei dieses reflektierende Element (3) eine Kennlinie der reflektierten Wellenlängen zeigt, bei der eine Mittenwellenlänge in einem Wellenlängenbereich mit hoher Reflektivität in einen Verstärkung zeigenden Wellenlängenbereich des Halbleiterlasermediums (1) fällt, und eine Leistungshalbwertsbreite dieser Kennlinie gleich oder kleiner ist als zweimal der Abstand zwischen den von der Länge des Halbleiterlaserelements (1) abhängigen longitudinalen Eigenschwingungen.

2. Optischer Impulsgeber nach Anspruch 1, wobei die reflektiefte Wellenlänge solch eine Kennlinie aufweist, daß die Reflektivität bei einer Mittenwellenlänge des Spektrums im longitudinalen Hauptschwingungsmode am größten ist.

3. Optischer Impulsgeber nach Anspruch 1 oder 2, wobei die reflektierte Wellenlänge solch eine Kennlinie aufweist, daß sie schmaler ist, um nur die Spektralbreite des longitudinalen Hauptschwingungsmodes zu beinhalten.

4. Optischer Impulsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strahlengang im Lichtleiter von einer optischen Faser festgelegt wird.