Одномодовые инжекционные лазеры в когерентных волоконно-оптических линиях связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

С^г/Г /V

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ АН СССР

ОДНОМОДОВЫЕ ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ В КОГЕРЕНТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ связи

01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

на правах рукописи

Мазур Александр Владимирович

Москва - 1991 Г.

Работа Еякишэна в Ордэяа Трудасого Красшго Институте радштегшиш п влекл-роинки АН СССР.

Научшй руководитель: кацдэда* ^шю-кл-сгатхлеа-гз 2351:,

доцент А.В.Сракцэссоп

Офзддадышз ошюбэнхы: доктор технических неук,

В.Т.Потапов

кавдажат ^шо-ка'шхзтаческгх паук, Г. II. Гордон

Ведущая организация: йаскяут об^эС £::з:пгп АН СССР

Защита состоится 31 января 1992 г. в 11.30 ид зесэдзгпз: сизц^з,2-зир)в9ш£0г0 соеотэ ¿002.74 04 в Органа Трудового Красного Зааа®на Института радкотезншш ш. элэетроигсп АН СССР со адресу: 103907, Москва,, лр-т Каркса 18, кок^зрощ-зал: Ккоеттута радиотехники н алэктронжш.

С дассорэкщЕаа.ш5за.ознако!Ллгься в бг&шотске Пнс-гт^та радшгехншш е. шзактдошиш АН СССР.

1Еторзфораж-,разосг:аа дшгобря 1391 г.

Унзнаа сэнрэтарь спзцралззирозалного совета к.ф.-м.н. /7 Т.В.Бухтгаэрош

■ис' < :

I ,]

, '.....■ 3

• , ... .. )

Актуальность теш. Когерентные волоконно-оптические линии связи'(КВОЛС) является на сегодняшний день наиболее перспективными для передачи информации на большие растояния (до 10 тыс. км.), с высокой скоростью до 10 Гбит/сек. и с возможностью частотного уплотнения каналов. По сравнению с широко используемой в локальных волоконно-оптических линиях связи модуляцией интенсивности (МИ) в КВОЛС используются частотная и фазовая модуляции, что позволяет получить следующие преимущества: I) выигрыш по чувствительности около 20 дБ, 2) возможность применения полупроводниковых оптических усилителей, 3) длина линий связи в КВОЛС определяется потерями волоконных световодов (ВС), а не ограничениями из-за материальной дисперсии ВС, 4) частотное уплотнение каналов.

Благодаря этим преимуществам, развитие КВОЛС считается актуальным для передачи информации на большие расстояния. Основным элементом в КВОЛС является источник когерентного излучения в качестве которого используются инжекционные лазеры (ИЛ). Основные требования предъявляемые к ИЛ такие: I) они должны быть одночастотными, 2)иметь ширину линии генерации Ау = 10-1000 кГц и 3) нестабильность по частоте порядка 1-10 МГц/мин. Кроме того для КВОЛС следует использовать инжекционные лазеры с рабочей длиной волны А= 1,3 мкм и 1,55 мкм, так как в этих диапазонах имеются минимумы потерь в одномодовых волоконных световодах *0,5 дБ/км и «0,2 дБ/км, соответственно.

Обычно для сужения линии генерации ИЛ Ао> до 10 кГц используют сильную оптическую обратную связь с диффракционной решет-

кой в качестве отражателя, температуру ИЛ и инжекционный ток поддерживают с точностью 1СГ3 и Ю-4, соответственно, а частоту стабилизируют с точностью до 100 кГц. Созданы гетеродинные и гомодинные КВОЛС и проводятся исследования по улучшению их характеристик.

В СССР для диапазона X = 1,3 мкм серийно выпускается инжекционный лазер типа ИЛПН-202 со следующими характеристиками: ширина линии генерации hv*> 100 МГц, зависимость частоты от температуры -180 ГГц/ °С и от инжекционного тока -I ГГц/мА. С такими характеристиками этот Ш1 не может быть непосредственно использован в когерентных волоконно-оптических линиях связи, то есть без внешних устройств стабилизации частоты лазера и сужения его спектральной линии. Поэтому для данного типа МЛ необходимо провести предварительные исследования: I) по методам стабилизации технических нестабильностей (температуры, тока и частоты), 2) по сужению линии генерации ИЛ Av до 10-1000 кГц в режиме слабой оптической обратной связи.

Цель диссертационной работы. Исследование и осуществление методов уменьшения флуктуаций температуры, тока и стабилизации частоты инжекционного лазера. Исследование спектра генерации инжекционного лазера, охваченного слабой оптической обратной связью.

Научная новизна работы заключается в следующем;

I. Обнаружена и исследована асимметрия спектра генерации инжекционного лазера, охваченного слабой оптической обратной связью. Показано, что асимметрия спектра зависит от величины коэффициента амплитудно-фазовой связи а, а количество мод про-

порционально величине коэффициента обратной связи X.

2. Обнаружено, что в режиме маломодовой генерации на модах внешнего резонатора (число генерируемых мод 2-5), лазер излучает на всех модах одновременно.

3. Для исследования ширины линии генерации ИЛ предложен и исследован метод самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой и модуляцией частоты лазера меандром с периодом Т = 2т, где 1 - время задержки.

4. Предложен новый способ частотно-импульсной модуляции излучения ИЛ, охваченного оптической обратной связью.

Научная и практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе представляют интерес для разработки когерентных волоконно-оптических линий связи и интерферометрических датчиков различных физических величин. Их практическая значимость заключается в следующем:

При слабой оптической обратной связи с неселективным отражателем ширина линии ИЛ может быть сужена не более,чем в 60 раз по сравнению с изолированным ИЛ, при этом спектр остается одно-модовым. Рост величины оптической обратной связи приводит к маломодовой генерации на модах внешнего резонатора, причем одновременно на всех модах и к асимметричности спектра. Этот режим может быть использован для измерения ширины линии ИЛ методом самогетеродинирования и для исследования спектра веществ с высоким разрешением.

При работе лазера в режиме слабой оптической связи по асимметричности спектра ИЛ можно определить коэффициент амплитудно-фазовой связи а, а по колличеству мод в спектре коэффициент

обратной связи X.

С целью уменьшения в канале связи отношения сигнал/шум возможно применение предложенного метода частотно-импульсной модуляции излучения лазера, охваченного оптической обратной связью.

Для измерения ширины линии генерации ИЛ Ду < 10 МГц возможно применение метода самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой.

Проведена стабилизация инжекционного лазера ИЛПН-202 по температуре с точностью «0,001°С, по току с коэффициентом нестабильности «Ю-5 и по частоте « 200 кГц за 10 минут.

Разработаные методики сужения ширины линии ИЛ и ее измерению, могут быть использованы при создании высококогерентных инжекционных лазеров для когерентных волоконно-оптических линий связи и для интерферометрических датчиков различных физических величин.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружена и исследована асимметрия спектра генерации ИЛ, охваченного оптической обратной связью. Показано, что асимметрия спектра зависит от величины коэффициента амплитудно-фазовой связи а, а количество мод пропорционально величине коэффициента обратной связи X.

2. Обнаружено, что в режиме маломодовой генерации на модах внешнего резонатора (число генерируемых мод 2-5), лазер излучает на всех модах одновременно.

3. Для исследования ширины линии генерации ИЛ предложен и исследован метод самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой и модуляцией частоты лазера меандром с периодом Т =

2т, где х - время задержки.

4. Предложен новый способ частотно-импульсной модуляции излучения ИЛ, охваченного оптической обратной связью.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" (Таллинн, 1987), на XII конференции молодых ученых МФТИ (Долгопрудный, 1987), на Республиканской конференции "Волоконно-оптические системы передачи" (Донецк, 1987), на Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические преобразователи в приборостроении" (Севастополь,

1989), на Всесоюзной конференции "Быстродействующие и лазерные волоконно-оптические системы передачи информации" (Севастополь,

1990), на XXIII Генеральной Ассамблее УРСИ (Прага, 1990), а также на научных семинарах ИРЭ АН СССР.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Она содержит 80 'страниц машинописного текста, 40 рисунков и список литературы из 60 наименований.

Содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, ее научная новизна и практическая ценность получе-

. ' 8 иных результатов', приведены основные защищаемые научные положения .

. В первой главе дац краткий обзор литературы по стабилизации технических нестабильностей температуры, инкекционного тока и частоты.•Отмечено, что для успешной работы в когерентных волоконно-оптических линиях связи ширина линии генерации инжекцион-ного лазера должна быть сужена до 10-1000 кГц. Этого можно достичь с помощью электронного сужения либо с помощью оптической обратной связи. Показаны способы измерения таких узких линий с помощью интерферометра Фабри-Перо и самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой. Отмечены различные способы достижения. необходимой стабильности по частоте путем стабилизации по. внешнему интерферометру Фабри-Перо, по линиям поглощения газов и атомов.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию различных методов стабилизации температуры лазера и инжекционного тока. В первом способе в качестве термочувствительного элемента использовался крутой изгиб волоконного световода [I], а в качестве активного регулятора температуры - термоэлектрическая батарея. При этом удалось застабилизировать температуру подложки лазера с точностью ± 0,005 °С. Однако большое транспортное время в такой системе р*3с не позволяет отслеживать быстрые флуктуации температуры активного слоя, которые вносят значительный вклад в нестабильность частоты. Транспортное время можно уменьшить изменением расположения термочувствительного датчика и использованием в качестве последнего кремниевого полупроводникового диода. Такие изменения позволяют достичь стабилизации темпера-

туры подложки с точностью ± 0,02 °С, однако с гораздо меньшим транспортным временем «0,5с, за счет чего удается существенно уменьшить быстрые флуктуации по частоте. Для того, чтобы стабилизировать температуру активного слоя лазера предложено использовать в качестве термочувствительного датчика р-n переход самого лазера, напряжение на котором линейно зависит ■ от температуры. При этом получена нестабильность по температуре ± 0,02°С с высоким быстродействием. Изготовлен источник тока для. питания лазера, который при токе J=I00 мА имеет флуктуации'±3 мкА.

Третья глава'' посвящена . исследованию работы инжекционного лазера в режиме слабой отической обратной связи. В разделе-3.1 изложена теория" работы лазера с внешним резонатором, основаная на результатах работ [2, 3] и удовлетворительно описывающая экспериментальные результаты. Создана' экспериментальная установка, на которой проводились исследования по сужению ширины линии генерации инжекционного лазера типа ИЛПН-202, охваченного слабой (10_б) оптической обратной связью. В результате■ проведенных экспериментов удалось сузить ширину линии генерации' с 60-120 МГц до »«390 кГц при длине внешнего резонатора L= 118 см и выпуклого зеркала в качестве неселективного отражателя. Обнаружена и исследована асимметрия спектра генерации инжекционного лазера, охваченного слабой оптической обратной связью. Показано, что асимметрия спектра зависит от величины коэффициента амплитудно-фазовой связи а, а количество мод пропорционально величине коэффициента обратной связи X. По экспериментальному спектру на основе предложенной методики определена постоянная амплитудно-фазовой связи а, теория которой дана в [4] для лазе-

ра ШШН-202 а = 4,5+0,5. Обнаружено, что в режиме маломодовой генерации на модах внешнего резонатора (число генерируемых мод «2-5), лазер излучает на всех модах одновременно. Доказательством служит взаимное гетеродинирование мод на фотодиоде, которое более подробно рассмотрено в разделе 3.3.

В разделе 3.2 описан интерферометр Фабри-Перо (ИФП) изготовленный нами для исследования спектра генерации инжекционного лазера, охваченного слабой оптической обратной связью. ИФП имел базу длиной 18 см, что соответствует области свободной дисперсии 830 МГц и аппаратную функцию 22 МГц. Зеркала изготовлены напылением тонкого слоя золота в качестве отражающего покрытия на двояковыпуклые кварцевые стекла с радиусом кривизны «25 см. Коэффициент отражения таких зеркал «0,9. С помощью такого интерферометра Фабри-Перо были проведены измерения зависимости ширины спектра генерации лазера, охваченного слабой оптической обратной связью, от инжекционного тока. Экспериментальные результаты показывают, что ширина линии генерации ИЛ Ь.у зависит от инжекционного тока как Ду »Дг»0*[«Г/М -1 ]"'. Показано, что при слабой оптической обратной связи с неселективным отражателем ширина линии ИЛ может быть сужена не более, чем в 60 раз по сравнению с изолированным и спектр остается при этом одномодо-вым. Увеличение величины оптической обратной связи приводит к маломодовой генерации на модах внешнего резонатора Выла осуществлена частотная модуляция излучения лазера частотой /=30 МГц и определена крутизна частотной модуляционной характеристики МГц/мА в условиях оптической обратной связи.

В разделе 3.3 описано определение ширины линии генерации

лазера, охваченного слабой оптической обратной связью методом самогетеродинирования в режиме двухчастотной генерации. Как отмечалось в п.3.1 спектр генерации инжекционного лазера, охваченного оптической обратной связью может быть одночастотным (при X ^ 5) и многочастотным (при X > 7). При Х<« 6 спектр генерации ИЛ может быть двухчастотным, причем нами было обнаружено, что генерация при этом происходит одновременно на этих частотах. Экспериментальные исследования показали, что при падении оптического излучения такого двухчастотного лазера на фотодиод, в фототоке последнего появляются спектр биений на частоте / <«125 МГц, которая равна частотному интервалу между модами внешнего резонатора А/«с/2*Ь=127 МГц (Ь=П8 см). При этом минимальная ширина спектра биений измереная на частоте / радиочастотным спектроанализатором СК4-60 была равна ««390 кГц. При наличии в спектре генерации более 2-х мод приводило к уширению спектра биений до «20 МГц.

В разделе 3.4 описаны проведенные нами исследования ширины линиии генерации ИЛ, охваченного слабой оптической обратной связью, модифицированным методом самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой. Впервые этот метод предложеный в [5] для измерения ширин линий лазеров меньше I МГц, предполагал использование акусто-оптического модулятора для сдвига оптической частоты в одном из плеч интерферометра Маха-Цендера. Однако ввиду значительных потерь при согласовании акусто-оптического модулятора с волоконным световодом и малым коэффициентом преобразования измерять ширину линии довольно сложно. Поэтому было предложено исключить из схемы измерения акусто-оптический

модулятор, а взамен этого модулировать ток (частоту) лазера меандром с периодом Т =2*1, где т - время задержки. Амплитуда тока модуляции где П - центральная частота на которой

будет наблюдаться исследуемый спектр (МГц), £ - крутизна частотной модуляционной характеристики (мА/МГц). Была создана автоматизированная установка на базе персонального компьютера 1ВМ РС АТ для исследования зависимости ширины линии генерации ин-жекционного лазера Дг> от фазы оптической обратной связи ф методом самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой. Полученные экспериментальные результаты по зависимости Д1> от ф качественно удовлетворяют теоретическим результатам работы [6], то есть Дг"уДг>0*(1+Х*5{пф)-2, где X - величина оптической обратной связи (Х«3,5), Д1>0- ширина линии генерации изолированного лазера. Также была исследована зависимость крутизны частотной модуляционной характеристики 5 от фазы оптической обратной связи ф, которая находится в качественном соответствии с 2яа^0*(1+Х*3(пф)~', где Б0 - крутизна частотной модуляционной характеристики изолированного лазера.

В разделе 3.5 рассмотрен новый способ частотно-импульсной модуляции оптического излучения инжекционного лазера, охваченного оптической обратной связью. Как показано выше сужение линии ИЛ с помощью оптической обратной связи приводит к уменьшению крутизны частотной модуляционной характеристики, что требует соответственно увеличения модуляционного тока при заданной девиации частоты. Чтобы решить эту проблему нами был предложен новый метод частотно-импульсной модуляции излучения инжекционного лазера, охваченного оптической обратной связью, предпола-

гающий девиацию частоты Р равной частотному межмодовому интервалу А/ резонатора оптической обратной связи. Предложенный метод позволяет уменьшить флуктуации частоты вызванные флуктуаци-ями модуляционного тока Д1т. Для реализации этого метода необходимо, чтобы расстояние между модами внешнего резонатора А/ было равно величине девиации частоты Р при частотно-импульсной модуляции,то есть Р = А/ = с/2*Ь, где' Ь - длина внешнего резонатора. Показано, что если флуктуации частоты без оптической обратной связи б/=б</*£0, где QJ - флуктуации тока, Б0~ крутизна частотной модуляционной характеристики изолированного лазера, то с введением оптической обратной связи флуктуации частоты будут д/=д^Бг, где Б - крутизна частотной модуляционной характеристики с оптической обратной связью равная 3}=30/(1+Х), где X - величина оптической обратной связи. Как показано в 3.4 стабильность частоты при таком способе частотно-импульсной модуляции увеличивается в (1+Х) раз, где X - величина оптической обратной связи.

В четвертой главе рассмотрена стабилизация частоты серийного инжекционного лазера типа 1ШШ-202 по внешнему интерферометру Фабри-Перо (ИФП). В схеме стабилизации частоты использован

I

принцип автоматической стабилизации частоты (АПЧ) изложенный в [7], который применялся для стабилизации СВЧ генератора по внешнему объемному резонатору. Нами в качестве оптического частотного дискриминатора использовался интерферометр Фабри-Перо (ИФП), по максимуму пропускания которого стабилизируется частота ИЛ, а введение слабой частотной модуляции излучения лазера повышает отношение сигнал/шум в петле АПЧ. В качестве ИФП ис-

пользовались интерферометры двух типов: объемный и волоконно-оптический. Температура лазера поддерживалась точностью ±0,2°С. Исследования показали, что при стабилизации частоты по интерферометру Фабри-Перо как объемному так и волоконно-оптическому нестабильность частоты составляет «200 кГц за 10 минут относительно максимума пропускания ИФП. В эксперименте использовались самодельные ИФП: так объемный имел область свободной дисперсии 6^=1000 МГц и ширину аппаратной функции Лг><«30 МГц, а волоконно-оптический ИФП имел 6г>=100 МГц и Ат»10 МГц. У волоконно-оптического ИФП чувствительность к температуре почти на два порядка выше чем у объемного. Это можно объяснить сильной зависимостью показателя преломления сердцевины волоконного световода от температуры, которая приводит к изменению оптической длины волоконного ИФП. Поэтому при использовании волоконных ИФП для стабилизации частоты ИЛ необходима стабилизация температуры и самого интерферометра.

В заключении кратко формулируются основные результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

I. Обнаружена и исследована асимметрия спектра генерации инжекционного лазера, охваченного слабой оптической обратной

связью. Показано, что асимметрия спектра зависит от величины коэффициента амплитудно-фазовой связи а, а количество мод пропорционально величине коэффициента обратной связи X.

2. Обнаружено, что в режиме маломодовой генерации на модах внешнего резонатора (число генерируемых мод 2-5), лазер излучает на всех модах одновременно.

3. Для исследования ширины линии генерации ИЛ предложен и исследован метод самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой и модуляцией частоты лазера меандром с периодом Т = 2т, где 1 - время задержки.

4. Предложен новый способ частотно-импульсной модуляции излучения ИЛ, охваченного оптической обратной связью.

Публикации по теые диссертационной работы.

Основные результаты диссертаци изложены в работах:

1. А.В.Мазур, С.К.Моршнев, А.В.Францессон, Асимметричность спектра инжекционного лазера, охваченного оптической обратной связью/УТруды XII конференции молодых ученых МФТИ - Долгопрудный - 1987 г. - МФТИ - М. - с.33-38 - Деп. в ВИНИТИ JS3379-B-87.

2. А.С.Рябов, В.Н.Маврин, А.В.Мазур, С.К.Моршнев, А.В.Фран-цессон, Термометр на кругом изгибе волоконного световодах/Приборы и техника эксперимента - .№1 - с.215-218 - 1987г..

3. А.В.Мазур, С.К.Моршнев, А.В.Францессон, Спектр инжекционного лазера, охваченного оптической обратной связью//Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" - Таллинн -

с.43-44 - 1987г..

4. Ю.В.Гуляев, В.П.Дураев, А.В.Мазур, С.К.Моршнев, А.С.Рябов, А.В.Францессон, Асимметричный спектр излучения инжекцион-ного лазера с внешней оптической обратной связью//Квант. электроника - т.15 - №2 - с.247-252 - 1988.г..

5. А.А.Затыкин, А.В.Мазур, С.К.Моршнев, А.В.Францессон, Стабилизация частоты инжекционного лазера по волоконному интерферометру Фабри-Перо//Радиотехн. и электроника - т.34 - №7 -с.1494-1499 - 1989 г..

6. А. с. Ш505389 СССР. МКИ4 HOI S 3/19. Способ частотно-импульсной модуляции излучения одномодового инжекционного лазе-ра//А.В.Мазур, С.К.Моршнев, А.В.Францессон (СССР)

7. А.В.Мазур, Определение ширины линии генерации инжекционного лазера методом самогетеродинирования с волоконно-оптической задержкой//Тезисы конференции "Быстродействующие и лазерные волоконно-оптические системы передачи информации" -Севастополь - с.21 - 1990г..

Цитированная в автореферате литература:

1. М.Е.Жаботинский, А.А.Затыкин, С.К.Моршнев и др. Крутой изгиб волоконного световода - основа датчиков физических вели-чин//Радиотехника - т.37 - №8 - с.8-13 - 1982.

2. B.Tromborg, J.H.Osmundsen, Н.Olesen, Stability analysis for a semiconductor laser in an external cavity//IEEE J. oí Quantum Electronics - v.20 - Ю - pp.1023-1032 - 1984.

3. R.Lang, K.Kabayashi, External optical feedback erfects on injection laser properties//IEEE J. of Quantum Electronics -