DE69603015T2

DE69603015T2 - Laser

Info

Publication number: DE69603015T2
Application number: DE69603015T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Armitage; Michael Brierley; Robert Campbell; Roger Payne; Michael Robertson; Gerard Sherlock; Howard Wickes; Douglas Williams; Richard Wyatt
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2016-03-08
Also published as: EP0813761A1; CA2212736A1; US5978400A; CN1177421A; WO1996027929A1; CA2212736C; EP0813761B1; DE69603015D1; AU4887596A; CN1147041C; ES2135214T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Laser.
Es ist zum Beispiel bei optischen Telekommunikationsnetzen erforderlich, daß die Laser eine schmale Linienbreite aufweisen. Solche Laser können z. B. bei Wellenlängenmultiplexsystemen verwendet werden, bei denen nah benachbarte unterschiedliche Wellenlängen zum Einsatz kommen, um unterschiedliche Kommunikationskanäle zu übertragen, oder bei Systemen mit hohen Bitraten, die optische Quellen mit kleiner Linienbreite erfordern, um Dispersionseffekte zu vermeiden. Es wurden DFB(Distributed Feedback)-Halbleiterlaser mit Beugungsgitter in dem Halbleiterverstärkungsmedium hierfür eingesetzt. Ein Nachteil dieser DFB-Laser besteht darin, daß aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes des Halbleitermaterials ihre Ausgangswellenlängen mit der Temperatur schwanken. Dies macht im allgemeinen die Verwendung einer Temperatursteuerung und der dazugehörigen Elektronik notwendig, um die Temperatur und damit die Ausgangswellenlänge der DFB- Laser zu stabilisieren.
Dieses Problem wurde in gewisser Weise mit Fasergitter-Lasern (FGL) überwunden, bei denen eine mit einer Linse versehene Faser, die ein Fasergitter umfaßt, mit einer Halbleiterlaserdiode ausgerichtet wurde, so daß ein Laser mit kurzem externen Resonator entsteht, z. B. nachzulesen in "Narrow Line Semiconductor Laser Using Fibre Grating", Bird et al., Electronics Letters, 20. Juni 1991, Band 27, Nr. 13, Seiten 1115- 1116. Bei dieser Vorrichtung ist die Laserdiodengrenzfläche, die sich am nächsten an dem Ende der mit Linse versehenen Faser befindet antireflexbeschichtet, so daß der Laservorgang zwischen der rückseitigen Grenzfläche der Laserdiode und dem Gitter in der Faser stattfindet. Da sich der größte Teil des Laserresonators einschließlich des Gitters jetzt innerhalb der Faser befindet, anstatt in dem Halbleitermaterial, ist die Änderung bei der Ausgangswellenlänge des FGL in Abhängigkeit von der Temperatur sehr viel geringer als bei einem DFB- Laser.
Die Anmelder haben festgestellt, daß bekannte FGLs nicht für die Verwendung bei praktischen optischen Telekommunikationsnetzen geeignet sind, da sie sowohl bei der Ausgangswellenlänge als auch ihrer Ausgangsleistung instabil sind, wenn entweder der Treiberstrom oder die Temperatur oder beides bei dem FGL verändert wird.
Erfindungsgemäß wird ein Laser mit erstem und zweitem Rückkopplungselement, so daß ein Laser-Resonator definiert wird, und einem Verstärkungsmedium in dem Laser-Resonator geschaffen, bei dem das Verstärkungsmedium eine erste und eine zweite Grenzfläche und einen optischen Wellenleiter zum Führen optischer Strahlung zwischen der ersten und zweiten Grenzfläche umfaßt, wobei das zweite Rückkopplungselement wellenlängenselektiv ist, der optische Wellenleiter einen gekrümmten Abschnitt aufweist und so aufgebaut ist, daß er optische Strahlung in Bezug auf die Normale der zweiten Grenzfläche in einem Winkel führt, und wobei der optische Wellenleiter zusätzlich so aufgebaut ist, daß er optische Strahlung im wesentlichen parallel zu der Normalen der ersten Grenzfläche führt.
Der Anmelder hat festgestellt, daß sich die Instabilitäten der bekannten FGLs zurückführen lassen auf gekoppelte Resonatoren, die zwischen der hinteren und der vorderen (d. h. der der Faser nächsten) Grenzfläche der Halberleiter-Laserdiode sowie zwischen dem Fasergitter und der vorderen Grenzfläche gebildet werden. Die Instabilitäten beim Ausgang der bekannten FGLs werden auf die Modenkonkurrenz zwischen diesen verschiedenen gekoppelten Resonatoren zurückgeführt. Diese Modenkonkurrenz macht die bekannten FGLs für praktische Anwendungen unbrauchbar, trotz Antireflexionsbeschichtungen auf der vorderen Grenzfläche der Halbleiterlaserdiode. Ein spezi elles Problem bei der Anwendung von FGLs nach dem Stand der Technik in Systemen für Datenübertragung besteht darin, daß erhebliches Modenspringen zwischen den Moden von gekoppelten Resonatoren eine Verschlechterung der BER (Bit Error Rate) des Systems bedeutet, da große Änderungen in Bezug auf die Ausgangsleistung auftreten.
Die Verwendung von gewinkelten Grenzflächen ist unter anderem aus Electronics Letters, Band 24, 1988, Nr. 23, Seite 1439 bis 1441 bekannt. In dieser Veröffentlichung hat ein Diodenverstärker mit Dachkanten-Wellenleiterkonfiguration eine Kante in einem Winkel von 10º in Bezug auf die Grenzflächennormale, "um die internen Resonanzen in Halbleiterlasern mit Spaltgrenzflächen zu unterdrücken". Diese Vorrichtung wird mit zwei externen Reflektoren verwendet, einem Spiegel und einem in eine optische Faser geätzten Gitter. Der Laser ist für aktives Mode-Locking ausgelegt. Die Verwendung von gewinkelten Grenzflächen zum Unterdrücken von Fabry-Perot-Moden ist ebenfalls auf dem etwas entfernten technischen Gebiet von superlumineszenten Dioden bekannt (die beabsichtigt sehr kurze Kohärenzlängen von üblicherweise 50 um haben, anders als Halbleiterlaser (wie in der vorliegenden Erfindung), die üblicherweise Kohärenzlängen von etwa 2 cm haben).
Die Erfindung ergibt sich aus Anspruch 1. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung will dazu beitragen, diese Probleme zu überwinden oder wenigstens zu einem gewissen Grad zu mildern, indem ein optischer Wellenleiter geschaffen wird, der optische Strahlung in einem Winkel gegenüber der Normalen der vorderen Grenzfläche des Verstärkungsmediums eines Lasers ausrichtet. Der Effekt eines Winkels zwischen dem optischen Wellenleiter und der Normalen der vorderen Grenzfläche ist der, daß die effektive Reflexion durch diese vordere Grenzfläche reduziert ist. Ein weiterer Vorteil beruht darauf, daß die optische Strahlung in einem Winkel zu der Normalen der vorderen Grenzfläche ausgerichtet wird und daher die Reflexion durch diese vordere Grenzfläche sehr wahrscheinlich polarisationsempfindlich ist. Das heißt, die Reflektivität der Grenzfläche für orthogonal polarisierte Moden des optischen Wellenleiters ist wahrscheinlich unterschiedlich. Dies wurde bei Lasern gemäß der vorliegenden Erfindung als nützlich empfunden, da dadurch der Laserbetrieb des Lasers in nur einer Mode begünstigt wird.
Vorzugsweise ist der optische Wellenleiter außerdem so konfiguriert, daß optische Strahlung im wesentlichen parallel zu der Normalen der ersten Grenzfläche ausgerichtet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das erste Rückkopplungselement durch die erste Grenzfläche des Verstärkungsmediums geschaffen wird, da in diesem Fall die erforderliche hohe Reflektivität dieser ersten (oder hinteren) Grenzfläche leicht erreicht wird, z. B. durch Fresnel-Reflexion an z. B. einer Halbleiter-/Luft-Grenzfläche. Es ist also möglich, die Reflektivität dieser Grenzfläche durch eine geeignete Beschichtung zu verbessern.
Vorzugsweise umfaßt der Pfad des optischen Wellenleiters einen gebogenen Abschnitt. Dieser gekrümmte Abschnitt ermöglicht es, daß der optische Wellenleiter im wesentlichen parallel zu der Normalen der ersten Grenzfläche verläuft, während die zweite Grenzfläche einen Winkel mit ihrer Normalen einschließt. Dies hat speziell Vorteile, wenn die zwei Grenzflächen parallel zueinander stehen.
Vorzugsweise ist der Winkel zwischen dem optischen Wellenleiter und der Normalen der zweiten Grenzfläche größer als 5º. Bevorzugt ist dieser Winkel sogar größer als 10º und besonders bevorzugt ist dieser Winkel etwa 12º.
Vorzugsweise beträgt der Krümmungsradius des gekrümmten Abschnittes des optischen Wellenleiters zwischen 0,3 mm und 1 mm. Die Anmelder haben herausgefunden, daß dieser Bereich der Radien für den optischen Wellenleiter bei praktischen Halbleitervorrichtungen ein ungefähres Gleichgewicht darstellt zwischen den entgegengerichteten Anforderungen, einen ausreichend großen Winkel bei der ersten Grenzfläche zu haben, Wellenleiterverlust in dem gekrümmten Abschnitt des optischen Wellenleiters zu vermeiden und ein Verstärkungsmedium von vernünftiger Länge zu haben.
Obgleich das Ende einer optischen Faser, in welcher ein Gitter das zweite wellenlängenselektive Rückkopplungselement darstellt, eine Linse umfassen kann, so ist dieses Faserende jedoch vorzugsweise eine Spaltfläche. Ein Spaltfaserende relaxiert die Ausrichtungstoleranzen beim Ausrichten der Faser mit dem Verstärkungsmedium. Vorzugsweise ist die Faser gespalten, so daß sich die Normale zu der Ebene der Spaltfläche in einem Winkel zu der Faserachse befindet.
Vorzugsweise werden die Ausrichtungstoleranzen zwischen Verstärkungsmedium und dem zweiten, wellenlängenselektiven Rückkopplungselement darüber hinaus durch Verwendung einer optischen Wellenleiterstruktur innerhalb des Verstärkungsmediums relaxiert, wodurch die Größe einer Mode des Wellenleiters modifiziert wird, wenn sie sich von der ersten Grenzfläche zu der zweiten Grenzfläche des Verstärkungsmediums fortpflanzt. Vorzugsweise umfaßt der optische Wellenleiter eine Wellenleiterstruktur, wie sie in der ebenfalls anhängigen Anmeldung eines Lasers mit großer Spot-Größe vom 24. Februar 1995, PCT GB 95/00387 beschrieben und beansprucht ist. Auf diese Anmeldung wird hiermit Bezug genommen.
Zusätzlich zu der Polarisationsempfindlichkeit von Lasern gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund des Winkels zwischen dem optischen Wellenleiter und der vorderen Grenzfläche des Verstärkungsmediums wird vorzugsweise die Polarisationsempfindlichkeit weiter verstärkt, indem der optische Wellenleiter so dimensioniert wird, daß eine größere Verstärkung einer Mode in einer Polarisation als bei Moden in anderen Polarisationen erreicht wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden als Beispiele beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die folgenden Figuren, bei denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines FGL nach Stand der Technik ist,
Fig. 2 ein Diagramm einer experimentellen Messung der LI- Charakteristik eines FGL nach Stand der Technik mit Fasergitter bei eine Gesamtlänge von etwa 1 cm und einer Bandbreite von 0,2 nm und einer Halbleiterlaserdiode von 500 um Länge zeigt,
Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 4 schematisch das Aufwachsen einer Halbleiterlaserdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 5 die Abhängigkeit der Ausgangsleistung eines Lasers vom Treiberstrom bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 6 die Abhängigkeit der Ausgangswellenlänge eines Lasers von dem Treiberstrom bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 7 schematisch den Effekt einer Bewegung der Laserwellenlänge mit der Temperatur über das Reflektivitätsprofil eines Gitters zeigt,
Fig. 8 eine theoretische Abhängigkeit der Reflektivität der vorderen Grenzfläche einer Halbleiterlaserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung von dem Winkel zwischen dem Wellenleiter und der Normalen der Grenzfläche zeigt,
Fig. 9 schematisch einen reflektiven Verstärker zeigt.
Fig. 10 zeigt ein Diagramm mit der Abhängigkeit der Wellenlängenverstärkungsrauhigkeit von der Eingangsgrenzflächenreflektivität,
Fig. 11 zeigt schematisch den Aufbau der zusammengesetzten Wellenleiterstruktur mit einem passiven planaren Wellenleiter unter einem aktiven spitz zulaufenden Wellenleiter,
Fig. 12 zeigt BER-Messungen eines Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowohl Rücken an Rücken (Quadrate) als auch über 40 km Faser (Dreiecke) bei 155 MBit/s, und
Fig. 13 ist eine Kopie eines Photos einer Halbleiterlaserdiode gemäße einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch einen FGL nach Stand der Technik mit einer Halbleiterlaserdiode 1, ausgerichtet mit einer optischen Faser 2 mit einem UV-geschriebenen Fasergitter 3. Die Halbleiterlaserdiode 1 umfaßt einen optischen Wellenleiter 4 zum Ausrichten optischer Strahlung zwischen rückseitiger Grenzfläche 5 und vorderer Grenzfläche 6. Die rückseitige Grenzfläche 5 kann mit einer hochreflektiven dielektrischen Mehrschichtbedeckung beschichtet sein, um ihre Reflektivität über die Fresnel-Reflexion bei einer Halbleiter/Luft-Grenzfläche hinaus anzuheben. Die vordere Grenzfläche 6 der Halbleiterlaserdiode 1 wird mit einer dielektrischen Mehrschichtantireflexbedeckung beschichtet. Die optische Faser 2 umfaßt eine spitz zulaufende Faserlinse 7 an ihrem Ende neben der vorderen Grenzfläche 6 der Halbleiterlaserdiode 1. Die Lasereigenschaften eines solchen FGL nach Stand der Technik werden vorwiegend durch Wellenlänge, Reflektivität und Bandbreite des Fasergitters 3 festgelegt. Der Anmelder hat jedoch aufgrund von Experimenten mit diesen Vorrichtungen ermittelt, daß die Leistungs-/Strom-(LI)-Eigenschaften dieser FGLs nach Stand der Technik Modensprünge von etwa 0,6 nm aufweisen, die periodisch auftreten, wenn der Strom oder die Temperatur des FGL verändert werden. Ein solches experimentelles Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt, aus der zu entnehmen ist, daß ein großer Modensprung beim Anheben des Treiberstroms des FGL auftritt, obgleich dies beim Absenken des Treiberstroms des FGL nicht der Fall ist. Es wurde keine Temperatursteuerung bei dem Laser während der Änderung des Stromes eingesetzt.
Vorrichtungseigenschaften wie nach Fig. 2 werden im allgemeinen nicht als förderlich für die Verwendung in einem Telekommunikationsnetz angesehen und zwar aus mehreren Gründen: (a) Modensprünge von etwa 0,5 nm würden Probleme bei der Verwaltung verursachen, wenn diese bei WDM-Systemen (Wavelength division multiplex) auftreten, (b) große Änderungen bei der Ausgangsleistung würden eine höhere Gesamtleistung in dem Netz erforderlich machen, als dies wünschenswert ist und (c) die Hysterese bei LI-Eigenschaften der Vorrichtungen werden üblicherweise als entscheidendes Kriterium von Sub-Standard- Lasern angesehen.
Der Grund für diese Modensprünge bei den LI-Eigenschaften wurde von dem Anmelder identifiziert als begründet in gekoppelten Resonatoren, die aus den hinteren und vorderen Grenzflächen der Halbleiterlaserdiode 1 und des Fasergitters 3 und der vorderen Halbleitergrenzfläche 6 gebildet werden.
Das Modenspringen in Fig. 2 tritt auf, wenn FGLs nach Stand der Technik betrieben werden, obgleich eine Antireflexbeschichtung auf der vorderen Grenzfläche 6 der Halbleiterlaserdiode vorgesehen ist. Die beste erreichbare Reflektivität bei der Verwendung von Antireflexbeschichtungen auf Halbleiterlaserdioden beträgt etwa 10&supmin;&sup4;, aber selbst dieser Grad an Reflexionsunterdrückung hat sich als zu niedrig herausgestellt, um FGLs nach Stand der Technik in Telekommunikationssystemen verwenden zu können. Eine Reflektivität von 10&supmin;&sup4; ist schwierig zu erreichen, und sie ist verbunden mit einer sehr niedrigen Ausbeute. Ein Wert, der eher typisch ist und mit einer etwas höheren Ausbeute erreicht werden kann, ist 10&supmin;³. Einzelheiten von geeigneten Antireflexbeschichtungen findet man in der Veröffentlichung von G. Eisenstein et al. in Applied Optics, Band 23, Nr. 1, Seiten 161-164, 1984.
Fig. 3 zeigt einen FGL gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der FGL umfaßt eine Halbleiterlaserdiode 1 mit einer AR-Beschichtung auf seiner vorderen Grenzfläche 6 und einer optischen Faser 2 mit einem Fasergitter 3 und einer spitz zulaufenden Linse 7. Der optische Wellenleiter 8 der Halbleiterlaserdiode 1 umfaßt drei Abschnitte, einen geraden Abschnitt 9, der im wesentlichen parallel zu der Normalen der hinteren Grenzfläche 5 verläuft, einen geraden Abschnitt 11, der einen Winkel θ mit der Normalen der vorderen Grenzfläche 6 einnimmt, und einen gekrümmten Abschnitt 10, der die zwei geraden Abschnitte 9 und 11 miteinander verbindet.
Die Halbleiterlaserdiode 1 wird unter Verwendung von MOVPE- Halbleiterwachstum und Maskierungstechniken hergestellt. Der Verarbeitungsablauf beim Wachstum der Halbleiterlaserdiode wird anhand von Fig. 4 erläutert.
Fig. 4a zeigt einen planaren Wafer mit einem n-InP-Substrat 12, einer 2 um dicken InP-Pufferschicht (S-Dotierung mit 3E18) 13, einer undotierten pQ-1,54-aktiven Schicht 14 mit einer Dicke von 0,15 um und einer Abschlußschicht 15 aus pInP (Dotierung mit Zn mit 4E17) und einer Dicke von 0,4 um. Dieser Planarwafer wird dann auf konventionelle Art und Weise unter Verwendung einer Maske, die zum Definieren eines Wellenleiters 8 ausgelegt ist, der geeignet an der hinteren Grenzfläche 5 und der vorderen Grenzfläche 6 der Halbleiterlaserdiode 1 ausgerichtet ist, maskiert. In Fig. 4b ist gezeigt, daß nach der Abscheidung einer SiO&sub2;-Schicht 16 eine Mesa-Struktur, die dem Wellenleiter 8 entspricht, definiert durch Maskierung, durch Ätzen mit konventionellem reaktiven Ionenätzen erzeugt wird. Diese Mesastruktur wird dann überwachsen mit einer pInP-Sperrschicht 17 mit einer Dicke von 0,6 um (Dotieren mit Zn bei 6E17) und einer nInP-Sperrschicht 18 (Dotieren mit S bei 9E17) mit einer Dicke von 0,4 um. Ein zweiter Aufwachsungsschritt wird dann durchgeführt, um die Schichten 19 und 20 aus p&supmin;-InP bzw. p&spplus;-InGaAs miteinander zu kontaktieren. Die Schicht 19 besteht aus zwei Schichten glei cher Dicke (0,75 um) mit jeweiligen Dotierungspegeln Zn 8E17 und Zn 2E18. Die Schicht 20 hat eine Dicke von 0,1 um bei einer Dotierung Zn 2E19. In den Fig. 4e und 4f ist gezeigt, daß die Schicht 20 dann maskiert wird und auf jeder Seite des Wellenleiters bis hinunter zum Substrat geätzt wird, um einen Graben 21 auf jeder Seite des Wellenleiters zu bilden. Die Vorrichtung wird dann in Pyrox 22 beschichtet, ein Kontaktfenster 23 wird auf übliche Art und Weise wie in Fig. 4g gezeigt gebildet. Schließlich wird die Vorrichtung gedünnt und metallisiert mit einer n-Kontaktschicht TiAu 24 auf dem Substrat und einer p-Kontaktschicht Ti/TiAu 25 auf der oberen Oberfläche.
Weitere Dimensionen der Vorrichtung sind die folgenden:
Gesamtbreite der Vorrichtung: &sim; 200 um
Gesamtlänge der Vorrichtung: &sim; 500 um
Vorrichtungsdicke: &sim; 90 um (nach Dünnen)
Breite der aktiven Schicht: &sim; 1,67 um
Breite zwischen den Gräben (Innenseite bis Innenseite): &sim; 20 um
Breite der Gräben: &sim; 5 um.
Die vordere Grenzfläche 6 der Halbleiterlaserdiode 1 wird dann AR-beschichtet, wobei mehrere dielektrische Schichten vorgesehen sind.
Fig. 13 ist eine Kopie eines Photos einer Halbleiterlaserdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird dann an eine optische Faser 2 mit einem Fasergitter 3 einer Reflektivität von 24% und einer Bandbreite von 0,2 nm gekoppelt. Die Gesamtlänge des Laser-Resonators, d. h. die Länge von dem Fasergitter 3 zu der hinteren Grenzfläche 5 der Halbleiterlaserdiode 1 beträgt etwa 1 cm, was einem freien Spektralbereich von 0,05 nm entspricht. Die Leistungseigenschaften und Wellenlängenschwan kungen dieses Lasers ohne Temperatursteuerung sind in Fig. 5 bzw. 6 gezeigt. Aufgrund dieser Figuren ergibt es sich, daß die Verwendung einer Halbleiterlaserdiode mit einem optischen Wellenleiter, der in einem Winkel zu der Normalen der vorderen Grenzfläche steht, zu einem Laser führt, der LI-Eigenschaften mit größerer Linearität hat und der keine Modensprünge oder Leistungsschwankungen zeigt.
Die kleine Änderung der LI-Kurve in Fig. 5 gegenüber dem erwarteten linearen Verhalten wird zurückgeführt auf eine temperaturbedingte Wellenlängendrift, bedingt durch die Bewegung der Laserwellenlänge über das Gitter. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß sich bei der Bewegung der Wellenlänge über die Gitterreflektivität die Gitterreflektivität ändert, was die Resonatoreigenschaften verändert, d. h., die Resonatorrückkopplung und Ausgangskopplung, und als Ergebnis verändert sich die Ausgangsleistung des Lasers.
Die experimentellen Ergebnisse in den Fig. 5 und 6 wurden mit einem FGL gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt, bei dem der Winkel Θ zwischen dem optischen Wellenleiter 11 und der vorderen Grenzfläche 6 der Halbleiterlaserdiode 1 12º betrug. Vorrichtungen mit einem Θ von 8º, 10º, 12º und 14º wurden hergestellt und theoretisch behandelt. Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der Schwankung der Reflektivität der vorderen Grenzfläche in Abhängigkeit von dem Winkel Θ zwischen dem Wellenleiter 11 und der Normalen der vorderen Grenzfläche. Diese theoretische Kurve basiert auf dem Modell eines plattenförmigen Wellenleiters. Experimentell wurde gefunden, daß der Winkel mit den besten Ergebnissen in etwa 12º beträgt.
Um die Reflektivität der vorderen Grenzfläche der Halbleiterlaserdioden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abzuschätzen, wurde der Grad der Wellenlängenrauhigkeit der Halbleiterlaserdiode theoretisch behandelt und experimentell vermessen, wenn diese als Verstärker betrieben wurde.
Der reflektive Verstärker ist im wesentlichen ein Halbleiterverstärker mit einer sehr niedrigen Grenzflächenreflektivität und einer höheren Spiegelreflektivität. Er ist schematisch in Fig. 9 dargestellt.
Licht wird durch eine Einzelmodenfaser in die Vorrichtung mit einer Effizienz η eingekoppelt. Die Reflektivität der Eingangsgrenzfläche ist R&sub1;. Der Einzeldurchlaufgewinn des Verstärkers ist G&sub8;, und die Spiegelreflektivität ist R&sub2;. Es kann gezeigt werden, daß der Reflektivitätsgesamtgewinn G des Verstärkers gegeben ist durch
Dabei ist der Phasenterm Θ = 2ML/(λ-λ&sub0;), wobei L die Resonatorlänge ist. M ist die Modenanzahl (eine ganze Zahl), λ ist die Signalwellenlänge, und λ&sub0; ist die Wellenlänge bei der nächsten Rauhigkeit. Der Etalon-Gewinn wird in diesem Fall maximiert, wenn Φ = 0, π, und er wird minimiert bei Φ = π/2, 3π/2. Die Abhängigkeit von G von 0 begründet den Gewinn. Der Rauhigkeitsgewinn ist gegeben durch
Die Schwankung beim Rauhigkeitsgewinn in Abhängigkeit von der Eingangsreflektivität bei einer Vorrichtung mit einer schlechten Rückgrenzflächenreflektivität von 85% und 20 dB Faser-Faser-Gewinn wurde in Fig. 10 aufgetragen.
Durch Messen der Wellenlängengewinnrauhigkeit einer Halbleiterlaserdiode 1 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die als reflektiver Verstärker betrieben wird, ist es möglich, die Reflektivität der vorderen Grenzfläche abzuschätzen. Dies wurde getan mit einem Ergebnis von etwa 5 · 10&supmin;&sup5;.
Die Breite des optischen Wellenleiters 8 wurde verändert, um die Polarisationsempfindlichkeit der Halbleiterlaserdiode 1 zu verändern. Breiten von 1,2 um, 1,44 um und 1,79 um wurden hergestellt. Die Vorrichtungen mit Wellenleiterbreiten von 1,44 um stellten sich als die mit den besten Eigenschaften heraus, einer besseren Polarisationsselektivität als Vorrichtungen mit kleineren Wellenleiterbreiten, so daß die Ausprägung der Einzelmoden bei den Lasern gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verstärkt wurde.
Um die Ausrichtungstoleranzen beim Ausrichten der optischen Faser 2 mit der Halbleiterlaserdiode 1 zu verbessern, wird vorgeschlagen, daß Wellenleiter 8 hergestellt werden, die zusammengesetzte Wellenleiter umfassen, um die Modengröße der geführten Mode zu verstärken, wenn diese sich von der hinteren Grenzfläche 5 zu der vorderen Grenzfläche 6 fortpflanzt. Eine derartige zusammengesetzte Wellenleiterstruktur ist in Fig. 11 dargestellt.
Die LI-Eigenschaften in Fig. 5 umgehen eindeutig alle Nachteile, die bei den LI-Eigenschaften nach Stand der Technik in Fig. 2 gezeigt wurden. Bei der beabsichtigten Betriebsumgebung wird jedoch davon ausgegangen, daß auch FGLs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Modensprünge und Leistungssprünge zu irgendeinem Zeitpunkt während der Lebensdauer der Vorrichtung zulassen, wenn auch nicht regelmäßig. Tatsächlich sind Modensprünge bei Lasern sehr schwierig zu vermeiden, wenn ein Betriebstemperaturbereich von etwa 50ºC ohne irgendeine Temperatursteuerung zugelassen wird. Die Wellenlängensprünge, die bei einem Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beobachtet werden können, betrugen 0,05 nm beim Verändern der Vorrichtungstemperatur (die Größe des Sprungs ist gegeben durch den freien Spektralbereich des Laser-Resonators). Die Sprünge zwischen Moden des externen Resonators sind viel kleiner als die, die oben für FGLs nach Stand der Technik beschrieben wurden, wo die Reflexion der vorderen Grenzfläche dominant ist. Die Leistungsschwankungen bei Modensprüngen sind also viel kleiner als die, die bei FGLs beobachtet werden. Außerhalb der Bereiche mit Modensprüngen hält der Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Einzelfrequenzbetrieb unter allen Bedingungen durch, außer bei Strömen von mehr als 95 mA, wo Bereiche mit Mehr-Modenbetrieb beobachtet werden.
Typische BER-Messungen bei einem FGL gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 12 für den Fall gezeigt, daß die Vorrichtung in einem stabilen Einzelmodenbereich ihrer Eigenschaften betrieben wird. Die Leistung der Vorrichtung sowohl bei Messungen Rücken an Rücken als auch über 40 km Faser erfüllen leicht die angestrebten Systemanforderungen und sind vergleichbar zu einem DFB-Laser.
Eine Serie von BER-Experimenten wurde ebenfalls ausgeführt, wobei die Temperatur der Vorrichtung über einen Bereich verändert wurde, von dem bekannt war, daß er einen Modensprung beinhaltet. Die Temperatur wurde wiederholt in Form einer Rampe bei jeder Messung durchgestimmt, um den schlechtesten Fall einer Betriebsumgebung zu simulieren. Bei Vergleich mit Ergebnissen einer BER bei konstanter Temperatur wurde nur eine leichte Verschlechterung bei der BER durch den Sprung zwischen zwei Moden festgestellt. Üblicherweise würde sich eine BER von 1 · 10&supmin;&sup9; bei konstanter Temperatur auf 6 · 10&supmin;&sup9; erhöhen, wenn die Temperatur durchgestimmt wird, wobei diese Schwankungsbreite leicht innerhalb der Gesamtleistung des Netzes liegen kann.

Claims

1. Laser mit erstem und zweitem Rückkopplungselement, so daß ein Laser-Resonator definiert wird, und einem Verstärkungsmedium (1) in dem Laser-Resonator, wobei das Verstärkungsmedium eine erste und eine zweite Grenzfläche (5, 6) und einen optischen Wellenleiter (8) zum Führen optischer Strahlung zwischen der ersten und zweiten Grenzfläche umfaßt, wobei das zweite Rückkopplungselement wellenlängenselektiv ist, der optische Wellenleiter (8) einen gekrümmten Abschnitt aufweist und so aufgebaut ist, daß er optische Strahlung in bezug auf die Normale der zweiten Grenzfläche (6) in einem Winkel führt, und wobei der optische Wellenleiter zusätzlich so aufgebaut ist, daß er optische Strahlung im wesentlichen parallel zu der Normalen der ersten Grenzfläche (5) führt.

2. Laser nach Anspruch 1, bei dem das erste Rückkopplungselement in Form einer reflektiven Beschichtung auf der ersten Grenzfläche (5) vorgesehen ist.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Pfad des optischen Wellenleiters (8) einen ersten, im wesentlichen geraden Abschnitt bei der ersten Grenzfläche (5) und einen zweiten, im wesentlichen geraden Abschnitt bei der zweiten Grenzfläche (6) aufweist und bei dem der gekrümmte Abschnitt zwischen den geraden Abschnitten liegt.

4. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Winkel zwischen dem optischen Wellenleiter (8) und der Normalen der zweiten Grenzfläche größer als 5º ist.

5. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Winkel zwischen dem optischen Wellenleiter (8) und der Normalen der zweiten Grenzfläche größer als 10º ist.

6. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Winkel zwischen dem optischen Wellenleiter (8) und der Normalen der zweiten Grenzfläche in etwa 12º beträgt.

7. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Radius der Krümmung des gekrümmten Abschnitts des optischen Wellenleiters (8) zwischen 0,3 mm und 1 mm liegt.

8. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das wellenlängenselektive Rückkopplungselement ein Gitter (3) umfaßt.

9. Laser nach Anspruch 8, bei dem sich das Gitter (3) innerhalb einer optischen Faser (2) befindet.

10. Laser nach Anspruch 9, bei dem das Ende der optischen Faser (2) bei der zweiten Grenzfläche (6) des Verstärkungsmediums ein Spaltflächenende ist.

11. Laser nach Anspruch 10, bei dem die Normale zu der Ebene der Spaltfläche der Faser (2) einen Winkel mit der Faserachse einschließt.

12. Laser nach Anspruch 9, bei dem das Ende der optischen Faser (2) bei der zweiten Grenzfläche (6) eine Linse umfaßt.

13. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Rückkopplungselement durch die erste Grenzfläche (5) des Verstärkungsmediums (1) gebildet wird.

14. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Grenzfläche (6) des Verstärkungsmediums eine Antireflex-Beschichtung aufweist.

15. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der optische Wellenleiter (8) zwei Moden mit orthogonaler Polarisation zuläßt und derart dimensioniert ist, daß eine Mode eine größere Verstärkung als die andere Mode erfährt.

16. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Verstärkungsmedium (1) eine Halbleiter-Laserdiode ist.

17. Laser nach Anspruch 16, bei dem der optische Wellenleiter (8) eine Wellenleiterstruktur aufweist, die die Größe einer Mode des Wellenleiters bei der Ausbreitung von der ersten Grenzfläche zur zweiten Grenzfläche des Verstärkungsmediums verändert.

18. Laser nach Anspruch 17, bei dem die Halbleiterlaserdiode (1) einen zusammengesetzten optischen Wellenleiter mit einem ersten optisch passiven planaren Wellenleiter und einem zweiten optisch aktiven Wellenleiter umfaßt und bei dem der zweite Wellenleiter in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu der Ebene des ersten Wellenleiters verläuft, entlang einem wesentlichen Teil der Länge des zweiten Wellenleiters in Richtung auf die zweite Grenzfläche der Halbleiterlaserdiode (1) konisch zuläuft, so daß die Größe der fundamentalen optischen Mode, die durch den zusammengesetzten Wellenleiter zugelassen wird, entlang der Länge des zusammengesetzten Wellenleiters in Richtung auf die zweite Grenzfläche (6) zunimmt.