SE507376C2 - Våglängdsavstämbar laseranordning - Google Patents

Description

30 507 576 2 av aktivt brytningsindex i lasems aktiva skikt samt av delningen ("pitch") hos det longitu- dinella gittret, dvs av gitterperioden. En sådan laser kan avstämmas med hjälp av reglering av laserns temperatur inom ett våglängdsintervall av omkring 5 nm, eftersom i det typiska fallet våglängden varierar med ca 0,1 nm/K och eftersom halvledarlasrar inte kan drivas vid alltför höga temperaturer på grund av ökande tröskelström och minskad avgiven effekt hos det utsän- da ljuset. Detta innebär att man måste tillverka lasrar i olika våglängdsklasser och att man vid installation av sändarutrustning för våglängdsmultiplexering måste välja rätt komponenter. Det innebär också, att man inte lätt kan ändra de utsända våglängderna inom ett större våglängds- område, dvs utföra ett fritt byte av kanal. Möjligen kan endast byte av kanal göras mellan lasrar som drivs med närliggande våglängder. Sådana byten kan vara av intresse i flexibla optiska nät med optiska tvärförbindningar (OXC, Optical Cross Connects) och optiska multi- plexorer med lägg-till/ta-bort-funktion (OADM, Optical Add/Drop Multiplexers).

Olika förslag har framlagts för att åstadkomma lasrar med större våglängdsavstämningsområ- de. Dessa förslag innefattar olika varianter av DBR-lasrar, där gittrets reflektionsmaximum kan förskjutas genom att ström injiceras eller genom att vågledaren lokalt uppvärms eller genom att ett elektrostatiskt fält påläggs. Ett förslag bygger på att en DFB-laser uppdelas i olika segment och att strömmen varieras i de olika segmenten. Ett tredje förslag bygger på att laserkaviteten uppdelas i olika delkaviteter med något olika längd och att interferens utnyttjas mellan de olika kaviteterna för att bestämma den våglängd, som skall utsåndas, sk Y-lasrar eller C3-lasrar. Ett problem med alla dessa typer är, att avstämningsmekanismen är relativt komplicerad såsom att den erfordrar komplicerad styralgoritmer samt att alla de typer, vilka bygger på ströminjektion för att ändra brytningsindex, potentiellt lider av tillförlitlighetspro- blem.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att åstadkomma en laseranordning, som kan avstämmas till att avge ljus med olika våglängder inom ett ej alltför begränsat våglängdsområde.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa en avstämbar laseranordning, som har pålitlig funktion och inte är alltför känslig för val av drivspänningar och drivströmmar.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa en avstämbar laseranordning, som har kompakt uppbyggnad och kan uppbyggas på monolitiskt integrerat sätt på en enda krets- platta och alltså inte kräver ytterligare optiska komponenter för sin funktion.

Dessa och andra ändamål framgår av beskrivningen nedan.

Det problem, som uppfinningen avser att lösa, är således att anvisa en avstämbar laseranord- 20 25 30 507 576 3 ning, som har en enkel och pålitlig uppbyggnad och funktion och lätt kan styras till vald våglängd inom ett ej alltför begränsat våglängdsområde.

Lösningen på det ovan framlagda problemet och andra problem är att anordna ett antal obero- ende, i princip likadana lasrar intill varandra i en rad. Lasrarna har olika emissionsvåglängder och kan bringas att utsända ljus oberoende av varandra. Alla lasrarnas ljusutsänd- ningsriktningar överensstämmer i huvudsak med varandra, dvs lasrama har samma longitudi- nella riktning. Vidare är arrangemanget av lasrar sådant, att ljus utsänt frän en laser i raden kommer att passera i riktning mot och/eller genom de andra lasrarna och dessas laserkavite- tel”.

En sådan laseranordning uppbyggs med fördel med hjälp av halvledarlasrar på ett och samma halvledande eller annat substrat. Jämfört med ett avstämbart laserarrangemang med flera lasrar, som utsänder ljus parallellt och bredvid varandra, erhålls med den föreslagna laseran- ordningen, att någon optisk kopplare inte erfordras, vilket är en förenkling.

Allmänt är den föreslagna laseranordningen sålunda robust och enkel till sin uppbyggnad. Det är också lätt att styra den - den erfordrar en relativt enkel styralgoritm. I halvledarutform- ningen kan lasrarnas emissionsvåglängder finjusteras genom temperaturreglering på känt sätt.

Vidare erfordrar anordningen en liten yta på det för lasrarna gemensamma substratet - ingen kopplare erfordras. Tillverkningen av laseranordningen kan göras med samma kända process, som används vid tillverkning av DFB-lasrar.

FIGURBESKRIVNING Uppñnningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utföringsexempel i samband med de bifogade ritningarna, i vilka: - Fig. l är en schematisk bild av ett tvärsnitt genom en våglängdsavstämbar laseranordning innefattande tre lasrar och en modulator, - Fig. 2 är ett diagram över avgiven ljuseffekt från en DFB-laser som funktion av tillförd elektrisk ström, - Fig. 3 är ett diagram över utsläckningsförhällande och sidmodsundertryckning som funktion av frekvens för en laseranordning innehållande två enskilda lasrar, - Fig. 4 är ett diagram över bitfelshastighet för informationsöverföring i en optisk fiber med hjälp av en laseranordning innehållande två enskilda lasrar.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I ñg. l visas ett tvärsnitt av en avstämbar laseranordning uppbyggd på en halvledarplatta i form av ett n-dopat InP-substrat l. Laseranordningen innefattar ett antal, i det visade exemp- let tre men i praktiken torde minst upp till tio kunna användas, i rad och intill varandra lig- 507 576 4 gande DFB-lasrar 3, 3', vilka är numrerade 1, 2, 3 och alla har olika gitterperioder i sina gitter 5. Varje laser 3, 3” är fristående, dvs kan bringas att utsända laserljus oberoende av de övriga lasrarna, om den tillförs en lämplig elektrisk ström. Gitterperiodema väljs på lämpligt sätt, så att de våglängder, vid vilka lasrama utsänder laserljus, får en lämplig eller tillräcklig s skillnad mellan varandra.

Våglängdsseparationen mellan de enskilda lasrarna 3, 3' och dessas gitterkonstanter, dvs gittrens kopplingstyrka per längdenhet, måste väljas på ett sådant sätt, att stoppbandet, vilket är det spektrala område, inom vilket gittret reflekterar ljus, hos en laser inte överlappar stoppbandet hos de andra lasrarna. Om detta villkor inte är uppfyllt, kan problem erhållas io med ej önskade parasitreflexer. Stoppbandets spektrala bredd AX ges approximativt av ax = Kxz/m där AA är den optiska 3 dB-bandbredden hos gittret, k är kopplingsstyrkan i gittret, Ä är ljusets våglängd i vakuum och n är effektivt brytningsindex i vågledaren. Typiska värden för DFB-lasrar är k = 50 cm'1, vilket kan variera från 10 cm'1 till 100 cm'1, X = 1,55 pm och is n = 3,25, vilket ger AÅ z 1,2 nm. För att säkerställa att smärre reflexer på grund av åter- koppling från kringliggande gitter inte stör en betraktad DFB-laser 3, 3', bör därför, med dessa som exempel givna värden, avståndet mellan lasrarnas emissionsvåglängder vara minst 2 - 3 nm, vilket motsvarar ungefär 1,5-A)\. I det typiska fallet kan, för bibehållande av lämp- lig överlappning mellan de våglängder, som kan erhållas genom temperaturreglering, se ne- zo dan, dock skillnaden mellan våglängderna hos ljus utsänt från lasrarna ökas något och kan ty- piskt vara ca 3 - 5 nm.

Alla lasrarna har en gemensam jordkontakt 7 såsom på undersidan av substratet 1. Vågledarna 9 i lasrarna är tillverkade av InGaAsP (bulkmaterial eller kvantbrunnar) med en luminiscens- våglängd av 1 550 nm (Q1.55). Ovanför skikten innehållande Vågledarna finns de longitudi- zs nella gittren 5. Gitterperioden bestäms vid tillverkningen av halvledarplattan med hjälp av exempelvis elektronstrålelitografi. Varje laser 3, 3' har en egen elektrisk kontakt 11 på sin ovansida. Lasrarna 3, 3' är elektriskt åtskilda från varandra av diken 13 innehållande exem- pelvis semiisolerande InP, SI-InP. Lasrarna 3, 3' är optiskt förbundna med varandra med hjälp av passiva vågledare 15 , som ligger i dikenas 13 bottnar och kan vara InGaAsP med en ao luminiscensvåglängd av ca 1450 nm (Ql.45). lnvid en laser 3' vid änden av raden av lasrar 3, 3' kan en optisk intensitetsmodulator 17 av elektroabsorptionstyp finnas anordnad, som innefattar ett p-dopat InP-skikt 19. Detta skikt 19 ligger ovanpå en passiv vågledare 21 av samma typ som de vågledare 15, vilka förbinder lasrama 3, 3* med varandra. Intensitets- modulatoms 1nP-skikt 19 har på sin översida en elektrisk kontakt 23 för tillförsel av den as modulerande elektriska spänningen. lO 20 25 30 35 507 376 5 Funktionen hos laseranordningen skall nu beskrivas i samband med diagrammet i fig. 2. De strömstyrkor, som tillförs lasrarna 3, 3' betecknas Il, Iz, 13 med index motsvarande lasramas ordningsnummer. En av lasrarna väljs, exempelvis laser nr 2, genom att den framspänns med en stor ström Iz = Im, som betydligt överstiger tröskelströmmen Ith och som alltså passerar genom lasern. Lasem börjar då sända ut laserljus. Detta ljus utsänds i båda de motsatta longi- tudinella riktningarna, i laserns längdriktning, dvs både i framriktning, dvs åt höger, i rikt- ning mot modulatorn 17 och i bakåtriktning, dvs åt vänster sett i ñg. 1.

För den enklaste typen laserutformning år förhållandet mellan ljus, som utsänds åt ena hållet, och ljus, som utsänds åt motsatt håll, lika med ett. Man dock utforma gittret i lasem, så att mer ljus utsänds åt det ena hållet än åt det motsatta. Detta åstadkoms på känt sätt, genom att gittrets styrka varieras i längdriktningen (i en och samma laser).

De lasrar, som ligger bakom den valda lasem, i det nämnda exemplet laser nr 1, drivs back- spända eller med en endast svag framspânning, så att ingen ström går genom dessa lasrar.

Strömmen Il kan alltså i exemplet vara negativ eller ha ett litet positivt värde. Dessa bakom- liggande lasrar kommer då att absorbera det ljus, som utsänds i bakåtriktningen av den valda lasern. Därigenom förhindras problem med reflexer från den bakre laserfacetten i den valda lasern, dvs från den valda lasems bakre sidoyta sett i långdriktningen. För att säkerställa att inga reflexer påverkar den bakersta lasern - den bakersta laserna är laser nr l i ñg. 1 - om denna väljs ut för att utsända ljus, kan en extra sektion anbringas längst bak på laseranord- ningen. Denna sektion kan vara av lilcnande uppbyggnad som lasrarna men behöver inte kunna utsända något ljus. Denna sektion ges en drivström, så att den blir absorberande på samma sätt som ovan beskrivits för de lasrar, vilka ligger bakom en aktiverad laser. Alterna- tivt kan längst bak på laseranordningen ett eller flera dielektriska anti-reflex-skikt anbringas.

De lasrar, som ligger framför den valda lasern, dvs de som ligger mellan den valda lasern och en eventuell modulator, i det valda exemplet laser nr 3, drivs måttligt framspända. Där- med avses, att spänningen över dessa lasrar i det typiska fallet väljs, så att strömmen har ett värde mellan transparensström Immp och tröskelström Im, se ñg. 2. I exemplet skall alltså gälla Itranp < 13 < Im. Transparensström Itmnp definieras som den strömstyrka, vid vilken en inkommande ljussignal upplever varken nettoförstärkning eller nettoabsorption i laserns aktiva skikt. Tröskelströmmen Im definieras som den strömstyrka, vid vilken den stimulerade förstärkningen uppväger de totala förlusterna åstadkomna av såväl absorption som urkoppling av ljus från laserkaviteten och är alltså den ström, vid vilken en laser bögar att utsända laser- ljus, dvs börjar att "lasra".

Valet av exakt värde på strömstyrkan för lasrarna liggande framför den valda lasem är inte särskilt kritiskt, eftersom intervallet mellan transparensström Itranp och tröskelström Ith 20 25 30 35 507 376 6 typiskt uppgår till flera mA. Det exakta valet av drivström bestämmer uteffektsniván, Typiskt kan uteffekten varieras några dB beroende på var inom intervallet (I sig. tranp - Im) man befinner Samtliga de nämnda tre strömstyrkorna Ilas, Ith och Itranp är tämligen starkt beroende av temperaturen. Därför måste vid användning av laseranordningen rätta värden väljas. I en automatiskt fungerande anordning kan då lasrarna styras med hjälp av något styrorgan såsom en mikroprocessor, ej visat, i vilkets minne tabeller för dessa storheters temperaturberoende finns lagrade. Styrorganet måste då också innefatta någon temperaturgivare och väljer med ledning av uppmätt temperatur och tabellvärden och på kommando från lämpliga styrsignaler rätta drivströmmar till de i laseranordningen ingående lasrama för att önskad laser skall ak- tiveras och dess ljus utsändas på avsett sätt. Att anordna ett sådant styrorgan medför ingen väsentlig komplikation jämfört med för närvarande använda system med liknande funktion.

Varje form av våglängdsavstämbar ljuskälla kräver sålunda någon form av logisk styrmeka- msm.

Om drivströmmen för en framförliggande laser, dvs laser nr 3 i exemplet, har för litet värde, absorberas ljus i denna och den totala uteffekten från laseranordningen minskar. Detta kan automatisk detekteras med hjälp av någon lämplig fotodetektor, ej visad, som kan vara anord- nad efter modulatorn l7 och är kopplad till styrorganet. Alternativt kan man utnyttja modula- torn 17 i sig själv som fotodetektor, eftersom det däri absorberade ljuset ger upphov till en fotoström. Genom att mäta denna fotoström mäter man också hur mycket ljus, som passerar genom modulatorn. För kompensation av en sådan minskning kan drivströmmen till de lasrar, som skall vara transparenta ökas, eller också kan strömmen till den aktiva lasern ökas. Där- emot finns det inget problem med att lasern gör oönskade nodhopp eller blir instabil, vilket är fallet om man väljer ofördelaktiga strömmar i en laser, som grundar sin avstämning på av den tillförda elektriska strömmen inducerade förändringar av brytningsindex, såsom DBR-lasrar och liknande. När en laser åldras, kommer också de optimala drivströmmarna att ändras, van- ligen öka. Detta kan med ovan beskriven utformning lätt kompenseras på antytt sätt, medan det i lasrar av typer liknande DBR-lasern krävs en mer komplicerad övervakning för att sä- kerställa, att laseranordningen inte hamnar i ett driftstillstånd med ofördelaktiga strömval, som exempelvis kan ge upphov till dålig sidmodsundertryckning.

En finjustering av våglängden hos laserljus utsänt från den ovan beskrivna anordningen kan åstadkommas genom ändring av hela kretsplattans temperatur, exempelvis genom att anordna ett Peltier-element, ej visat, i en kapsel som inhyser laseranordningen. Om man vill kunna avstämma laseranordningen till godtycklig våglängd inom ett visst våglängdsintervall, skall alltså antalet lasrar och skillnaderna mellan dessas gitterperioder väljas, så att de möjliga temperaturändringarna, exempelvis inom ett av område frän omkring 0° till omkring 50°C, 15 20 25 30 35 507 376 räcker till för detta.

Laseranordningen kan tillverkas på i princip samma sätt som används vid tillverkning av DFB-lasrar, se exempelvis artikeln "Zero-bias and low-chirp, monolithically integrated 10 Gb/s DFB laser and electroabsorption modulator on semi-insulating InP substrate", O. Sah- lén, L. Lundqvist, S. Funke, Electron. Lett., vol. 32, nr 2, sid. 120 - 121, 1996, vilken här införlivas som referens. InP-substrat (semiisolerande InP-substrat eller n-dopat InP-substrat kan väljas) kan användas enligt ovan och olika legeringar av lnGaAsP och eventuellt InAlGaAs för att bygga upp strukturen enligt ñg. 1. De olika skikten kan odlas epitaxiskt med hjälp av MOVPE, Metal Organic Phase Epitaxy, eller någon variant därav, eller altema- tivt någon variant av MBE, Molecular Beam Epitaxy. Anordningen kan framställas för an- vändning vid det vanliga våglängdsbandet omkring 1550 - 1560 nm eller, genom ändring av materialsammansättningen eller legeringsproportioner i lnGaAsP-skikten, till andra väglängds- områden, exempelvis till våglängdsomrädet omkring 1300 nm. Ännu lägre våglängder, exem- pelvis området omkring 980 nm, kan uppnås genom att andra materialkombinationer används såsom InGaAs/GaAs/AlGaAs-systemet. Det är givetvis tänkbart att också använda andra materialsystem än halvledare, såsom exempelvis dopade dielektrika, t ex erbiumdopat kvarts- på-kisel eller dopade ferroelektrika, såsom erbiumdopat litiumniobat.

En laseranordning enligt ovan har tillverkats med två kaskadkopplade DFB-lasrar, som hade en längd av 400 um och var kvartsvägsskiftade, och en Franz-Keldysh-(FK-)-modulator. An- ordningen tillverkades såsom anges i den ovan nämnda artikeln innefattande elektronstrålelito- grafi för definition av gittren, dock med undantag av att de aktiva skikten nu innefattar sex kvantbrunnar, "straíned quantum wells". Genom inställning av temperaturen kan vilken som helst av 11 våglängdskanaler väljas, vilka hade en frekvenssldllnad av lOO GHz, dvs ett av- stämningsområde av mer än 8 nm erhölls, jämför kurvorna i diagrammet i fig. 3. Sidmodsun- dertryckningen SMSR (Side Mode Suppression Ratio) var bättre än 40 dB och utsläcknings- förhållandet vid modulation ("modular extinction ratio") var större än ll dB för alla tempera- turer, när modulatorn gavs en spänning av 0 till -2 V. Temperaturen varierades inom interval- let 277 - 324 K. Den använda maximiströmmen översteg inte 100 mA, vilket gav en effekt avgiven från kretsplattan överstigande 1 mW för alla driftstillstånd. Typisk effekt hos det av- givna ljus var 3 mW. Modulatorns elektrooptiska smâsignalssvar var 16 GHz. Laseranord- ningen provades i ett system med bitfrekvens av 2.488 Gbit/s (motsvarande STM-16) för en längd av 543 km hos optiska, ej dispersionsskiftade standardfibrer. I fig. 4 visas i ett diagram kurvor för bitfelsförhällandet BER (Bit Error Rate) för fyra olika kanaler. Två av kurvorna motsvarar det fall, när lasern närmast modulatorn aktiveras, medan de två andra motsvarar det fall, när den bakre lasem aktiveras och den främre lasem är svagt framspänd. Modulatio- nen hade ett topp-till-topp-värde av 2 V i alla fallen.

Claims (9)

5 Û 7 3 7 6 8 PATENTKRAV

1. Anordning för utsändning av ljus med styrbar våglängd, innefattande en laser, k ä n n e - t e c k n a d av minst två laserenheter, som är så placerade, att när den ena av dem aktiveras för utsändning av ljus passerar det utsända ljuset genom den andra lasem. s

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att laserenheterna är placerade i rad med längdriktningama för laserkaviteter däri inriktade med varandra.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av en ljusabsorberande anordning anbragt vid ena änden av raden bildad av laserenhetema.

4. Anordning enligt ett av krav 1- 3, k ä n n e t e c k n a d av to - att laserenheterna är uppbyggda på samma kretsplatta och var och en innefattar en kavitet, där ljuset alstras, - att kavítetema har väsentligen rätvinklig form med små dimensioner vinkelrätt mot krets- plattans stora yta, - att när en laserenhet är aktiverad, ljus utsänds i en riktning parallell med plattans yta i ts laserenhetens längdriktning och - att kaviteterna är belägna inriktade med varandra, så att ljus från en aktiverad laserenhet passerar genom kaviteten hos en närmast belägen laserenhet och, för det fall att en ytterligare laserenhet finns belägen invid denna, vidare genom kaviteten hos den ytterligare laserenheten.

5. Anordning enligt ett av krav l - 4, k ä n n e t e c k n a d av att laserenheterna alla har zo olika emissionsvåglängder.

6. Anordning enligt ett av krav l - 5, k ä n n e t e c k n a d av att en laserenhet innefattar en gitteranordning, vars gitterperiod bestämmer laserenhetens emissionsvåglängd.

7. Anordning enligt ett av krav 1 - 6, k ä n n e t e c k n a d av temperaturstyrorgan för att styra lasrarnas temperatur till önskade värden för att åstadkomma en fininställning av lasrar- zs nas emissionsväglängder.

8. Anordning enligt ett av krav l - 7, k ä n n e t e c k n a d av en modulator, som är anord- nad, så att ljus utsänt från någon av laserenhetema passerar genom modulatorn.

9. Nätverk för överföring av information innefattande fiberoptiska länkar, till länkama kopp- lade avstämbara ljussändare och ljusmottagare, k ä n n e t e c k n a t av att ljussändarna in- ao nefattar en laseranordning enligt ett av krav 1 - 8.