КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР

Настоящая полезная модель относится к квантовой электронике и измерительной технике, а именно, к волоконно-оптическим кольцевым полупроводниковым лазерам.
Предшествующий уровень техники
Для создания мощных малогабаритных источников когерентного излучения последние десятилетия ведутся разработки кольцевых лазеров с составным кольцевым резонатором полупроводникового светоизлучающего диода, соединенным с оптическим волокном.
Известна конструкция кольцевого полупроводникового лазерного аппарата (патент US 4,405,236 [1]), в которой использован светоизлучающий торцевой диод (далее СТД) на основе гетероструктуры с активной областью, перпендикулярной первой и второй выходным сколотым граням и полосковой волноводной областью. расположенной под углом Брюстера к нормали по отношению к упомянутым сколотым граням диода. К каждой сколотой грани подведены концы оптического волокна, торцы которых сошлифованы под углом Брюстера, примыкающие плоскостью торца к упомянутой сколотой грани СТД, при этом продольная ось оптического волокна образует угол Брюстера со сколотой гранью. Такая конструкция позволяет уменьшить обратное отражение внутрь диода и внутрь оптического волокна. Однако при использовании угла Брюстера в упомянутой конструкции снижается получаемая предельная мощность - она меньше оптимальной.
Известен патент US 4,986,661 [2], который наиболее близок по достигаемому техническому результату и существенным признакам заявляемой полезной модели. В [2] защищен кольцевой лазер, включающий диод на основе гетероструктуры с активной областью, полосковой волноводной областью, расположенной под углом более 0 град и менее угла Брюстера к первой и второй выходным сколотым граням СТД, с нанесенными на них просветляющими покрытиями, оптическое волокно, имеющее первую и вторую торцевые грани концов также с просветлением,
помещенные под углом более 0 град и менее угла Брюстера к оси оптического волокна, при этом каждая упомянутая торцевая грань концов оптического волокна оптически соединена с соответствующей каждой упомянутой сколотой гранью диода таким образом, что они находятся в оптическом контакте (плоскость торца соответствующего канца оптического волокна примыкает к соответствующей сколотой грани СТД) и ось оптического волокна составляет с соответствующей сколотой гранью диода угол более 0 град и менее угла Брюстера (см. Фиг.3 [1]). Использовано сплошное оптическое волокно с петлей оптического волокна. Получение оптического контакта упомянутых- поверхностей - задача высокой технологической сложности и значительно может увеличить стоимость производства изделия.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели поставлено получение технического результата путем создания кольцевого лазера, со сниженными потерями излучения внутри составного кольцевого резонатора, при упрощении технологии изготовления, повышенной надежности и стабилизации основной моды кольцевого лазера излучения, повышения возможности получения одночастотного сигнала выходного излучения.
В соответствии с данной полезной моделью упомянутый технический результат достигается тем, что предложен кольцевой лазер, включающий светоизлучающий торцевой диод (далее СТД) на основе гетероструктуры с активной и волноводной областями, с первой и второй сколотыми гранями с просветляющими покрытиями на них. по крайней мере одно оптическое волокно с просветленным первым концом, оптически совмещенным с первой сколотой гранью упомянутого СТД, и с просветленным вторым концом, оптически совмещенным со второй сколотой гранью упомянутого СТД, корпус с крышкой, с первым и вторым отверстиями, находящимися соответственно в противоположных первой и второй торцевых стенках корпуса, по крайней мере с двумя электрическими выводами, в корпусе размещены по крайней мере упомянутый СТД, первая сколотая грань которого помещена напротив первого упомянутого отверстия, а вторая сколотая грань упомянутого СТД помещена напротив второго упомянутого отверстия, а электрические контакты СТД соединены с соответствующими электрическими выводами, первая часть оптического волокна с первым концом, помещенного в упомянутом первом отверстии, вторая часть оптического волокна со вторым концом,
помещенного в упомянутом втором отверстии, средство для вывода выходного сигнала.
Отличием предложенного кольцевого лазера является новая совокупность существенных признаков, позволяющая получить устройство, обеспечивающее высокую точность оптических соединений систем светоизлучающий торцевой диод (далее СТД) - первый оптический волновод (далее 0В), СТД - второй 0В, а также первый 0В - второй 0В и возможность применения технологичной промышленно апробированной методики осуществления таких соединений. Предложенное устройство обеспечивает эффективность, надежность вывода и ввода излучений и значительное снижение потерь внутри предложенного составного кольцевого резонатора и при выводе из него, а также стабилизацию выходного сигнала. Кроме того, предусмотрена возможность получения на выходе результирующего электрического сигнала. Предложенные соединительные элементы устройства позволяют применять как одномодовое 0В, так и многомодовое 0В, а также оптические волокна с различными конструктивными элементами внутри них, либо различной конфигурации 0В. Упомянутое дает возможность получить на выходе результирующий сигнал (оптический и/или электрический), имеющим различное число мод и частоту, в зависимости от поставленных задач.
Поставленный технический результат также достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере первая сколотая грань упомянутого СТД помещена перпендикулярно оси первого упомянутого отверстия, вторая сколотая грань упомянутого СТД помещена перпендикулярно оси второго упомянутого отверстия, продольная ось упомянутой первой части оптического волокна перпендикулярна первой сколотой грани СТД и находится в плоскости активной области напротив конца волноводной области у первой сколотой грани, а продольная ось упомянутой второй части оптического волокна перпендикулярна второй сколотой грани СТД и находится в плоскости активной области напротив конца волноводной области у второй сколотой грани.
Поставленный технический результат также достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере имеются два оптических волокна, первое и второе, причем просветленный первый конец первого оптического волокна оптически совмещен с первой сколотой гранью упомянутого диода, а второй его конец помещен в первый волоконно-оптический наконечник, просветленный второй конец второго оптического волокна оптически совмещен со второй сколотой гранью упомянутого диода, а первый его конец помещен во второй волоконно-оптический наконечник, при этом в корпусе размещены часть первого оптического волокна с первым концом помещенного в упомянутом первом отверстии, и часть второго
оптического волокна со вторым концом, помещенного в упомянутом втором отверстии, а также волоконно-оптический соединитель, с одной стороны соединенный с первым волоконно-оптическим наконечником, а с другой стороны -со вторым волоконно-оптическим наконечником.
Поставленный технический результат достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере на упомянутых первом и/или втором концах оптического волокна. помещены просветляющие покрытия.
Поставленный технический результат в одной из модификаций достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере первый конец оптического волокна (или первого оптического волокна) имеет торцевую грань, скошенную под углом 8°-12° к оси близ лежащей части оптического волокна, и/или второй конец оптического волокна (или второго оптического волокна) имеет торцевую грань, скошенную под углом 8°-12° к оси близ лежащей части оптического волокна.
В другой модификации поставленный технический результат достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере на первом конце оптического волокна (или первого оптического волокна) и/или на втором конце оптического волокна (или второго оптического волокна) имеется по крайней мере одна эллипсообразная линза.
Технический результат достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере волноводиая область СТД расположена под углом 8°-12° к первой и второй его сколотым граням.
Упомянутые модификации антиотражающих средств позволяют значительно снизить потери излучения на оптических соединениях СТД - оптическое волокно. Экспериментально доказано, что угол скоса 8-12 градусов является оптимальным для ввода - вывода наибольшей доли излучения.
Поставленный технический результат достигается также тем, что в следующей модификации в предложенном кольцевом лазере имеется по крайней мере одна петля оптического волокна.
При этом еще более повышается стабилизация выходного сигнала за счет снижения доли паразитных мод.
В другой модификации в предложенном кольцевом лазере оптическое волокно являются одномодовым и имеется по крайней мере одна решетка Брегга.
При этом также повышается стабилизация частоты выходного сигнала, вплоть до получения одночастотного кольцевого лазера.
Поставленный технический результат достигается также тем, что в предложенном кольцевом лазере первая и вторая части оптического волокна закреплены по крайней мере в двух точках.
Поставленный технический результат достигается также тем, что в предложенном кольцевом лазере первая и вторая части оптического волокна закреплены в трех точках.
Такие крепления надежны и, следовательно, значительно снижены потери излучения на оптических соединениях СТД - 0В.
Кроме того, поставленный технический результат достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере со стороны первой грани СТД установлен первый фотодиод обратной связи, со стороны второй грани СТД установлен второй фотодиод обратной связи, а электрические контакты упомянутых фотодиодов соединены с соответствующими электрическими выводами.
Также поставленный технический результат достигается тем, что в предложенном кольцевом лазере средством для вывода выходного сигнала является Х-образный, или У-образный, или V-образный волоконно-оптическим разветвитель.
Существом настоящей полезной модели является новая совокупность существенных признаков, позволившая получить качественно новое надежное, технологичное, наилучшим образом и просто реализуемое с высокими стабильными параметрами выходного сигнала.
Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении СТД, его соединения с 0В, стыковок 0В между собой и поэтому предложение удовлетворяет критерию "промышленная применимость". Предложенный настоящим изобретением кольцевой лазер применим для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения и гетероструктурных систем.
Краткое описание чертежей
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, изображенными на Фиг.1-5.
На Фиг.1 схематично изображен продольный разрез модификации кольцевого лазера.
На Фиг.2 схематично изображен вид сверху оптического соединения СТД с первым и вторым оптическими волокнами.
На Фиг.3 изображен спектр суперлюминесцентного диода.
На Фиг.4 изображен спектр кольцевого лазера, изображенного на Фиг.1.
На Фиг.5 изображен спектр одничастотноги кольцевого лазера.
Варианты осуществления изобретения
Предложенный кольцевой 'лазер (далее "Лазер") может быть реализован при использовании различных СТД, в зависимости от поставленных задач (выполненных из различных гетероструктур, в том числе, с квантово-размерной активной областью, различных материалов, для получения требуемых диапазонов длин волн, и т.д.). Используемый 0В также может быть различным в зависимости от поставленных технических задач. Рассмотренные далее примеры исполнения не являются единственно возможными.
Кольцевой лазер, согласно Фиг.1, состоит из СТД 1 с активной областью 2, первого 0В 3, второго 0В 4, волоконно-оптического соединителя 5, первого и второго волоконно-оптических наконечников 6, корпуса 7 с торцевыми стенками 8 и отверстиями 9 в них, втулок 10, электрических выводов 11, монтажной платы 12, фотодиодов обратной связи 13, первой и второй печек 14 для крепления в «двух точках» 15 и 16 (на каждой печке) очищенных от буфера частей 17 первого 2 и второго 4 0В с эллиптическими линзами 18 («третьими точками» 19 крепления 0В 3 и 4, соответственно, являются втулки 10), а также термохолодильника 20, терморезистора 21, крышки 22 корпуса 6. Противоположные концы первого 3 и второго 4 0В являются V-образными разветвителями 23. (Обращаем внимание, что часть парных позиций, а именно 7, 8, 9, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, показаны только с одной стороны. Условимся, что на чертежах Фиг.1 и 2 слева находятся «первые» элементы (первый 0В 3, первый наконечник 6 и т.д.), а справа - «вторые» элементы.)
СТД 1, являющийся суперлюминесцентным диодом, выполнен на основе двойной гетероструктуры из InGaAsP-lnP с раздельным оптическим ограничением (РОДГС) и одной квантовой ямой ("Single Quantum Well", далее "SQW") (на фигурах не показаны), изготовленной МОС-гидритным методом. Волноводная область 24 (см. Фиг.2) выполнена в виде мезаполоски, расположенной под углом 9-10 град. к сколотым граням 25-1 и 25-2 СТД 1. На упомянутых гранях 25 СТД 1 нанесены просветляющие покрытия 26. Выбрана вертикальная схема расположения омических контактов первого и второго типов проводимости.
СТД 1, помещенный в корпусе 7, закреплен на монтажной плате 12, установленной на термохолодильнике 20 с терморезистором 21, соединенным с электрическим выводом 11-1. На рабочей поверхности монтажной платы 12, с двух сторон от сколотых граней 25, помещены фотодиоды обратной связи 13 (каждый под требуемым углом к соответствующей сколотой грани 25) и печки 14. Электрические контакты терморезистора 21, первого фотодиода обратной связи 13,
Электрические контакты терморезистора 21, первого фотодиода обратной связи 13, СТД 1 и второго фотодиода обратной связи 13 через схемотехническую разводку на монтажной плате 12 соединены с соответствующими электрическими выводами 11 корпуса 6.
Для крепления очищенной от буфера части 17 (первого конца) 0В 3 и очищенной От буфера части 17 (второго конца) 0В 4 использована известная технология, изложенная в патентах RU №2019013 [3] и №2022429 [4]. В торцевых стенках 8 корпуса 7 выполнены отверстия 9, в которых установлены втулки 10. Первое 3 и второе 4 0В являются одномодовыми длиной по 1 м. каждое. Первое 0В 3, его очищенная часть 17 введена через втулку 10 в корпус 7 и закреплена на первой печке 14 в двух точках 15 и 16. При этом продольная ось по крайней мере очищенной части 17 первого 0В 3 перпендикулярна первой сколотой грани 24-1 СТД 1 и находится в плоскости активной области 2. Аналогично произведено крепление очищенной части 17 второго 0В 4 по отношению ко второй сколотой грани 24-2 СТД 1. Втулки 10 являются «третьими точками» крепления первого 0В 3 и второго 0В 4, соответственно. Первый конец первого 0В 2 и второй конец второго 0В 3 выполнены в виде эллиптической линзы 18с просветляющими покрытиями 27.
Работа прибора происходит следующим образом.
Основным элементом кольцевого лазера является суперлюминесцентный диод СТД 1. При подаче на него тока через электрические выводы 11-4 и 11-5 начинается некогерентное излучение, в данном случае на длине волны λ, равной ~1319 нм. Спектр излучения, показанный на Фиг.3, имеет полуширину огибающей Δλ, равную 20-30 нм с максимумом на рабочей длине волны излучения.
Для создания кольцевого резонатора второй конец первого 0В 3 и первый конец второго 0В 4 помещены соответственно в первый и второй волоконно-оптические наконечники 6, которые закрепляются с двух противоположных сторон волоконно-оптическим соединителем 5. При работе СТД 1 излучения, выходящие из противоположных сколотых граней проходят по образованному кольцевому резонатору в двух противоположных направлениях. Оптическая накачка СТД 1 происходит с двух сторон и возникает лазерная генерация. Ее можно фиксировать как при помощи обоих фотодиодов обратной связи, подавая с них электрический сигнал через электрические выводы 11-2 и11-3, 11-6 и 11-7 на регистрирующий блок, так и путем вывода излучения и его регистрации. В данном примере для вывода выходного излучения из кольцевого лазера второй конец первого 0В 3 и первый конец второго 0В 4 выполнены в виде V-образных разветвителей 23. (Возможны другие системы вывода, например используя V-образные разветвители или Х-образные разветвители.) Соответственно спектр излучения резко сужается до
ярко выраженный порог генерации с соответствующей длиной волны генерации, в данном случае 1319 нм.
В другом исполнении кольцевого лазера сохранена конструкция предыдущего исполнения, но торцы первых концов первого 0В 3 и второго 0В 4 выполнены плоскими, под углом 10 (±0,5) град. к центральной оси каждого 0В 3 и 4, соответственно. Такой же угол плоскость торца первого конца первого 0В 3 составит с плоскостью первой сколотой грани 25-1 СТД 1. Аналогично для второго 0В 4 и второй сколотой грани 25-2 СТД 1. (На фигурах не показано.)
В этом случае наблюдали улучшение медового состава. Происходит сглаживание спектра, значительно снижается неравномерность модового состава (на фигурах не показано)
Дальнейшее улучшение модового состава путем фильтрации мод, распространяющихся по оболочке, и изменение степени поляризации получено при использовании предшествующих модификаций и введением на втором 0В 4 петлю 0В. Аналогичный результат был получен при введении петли на первом 0В 3. (На фигурах не показано.)
Далее, также во второй модификации первое 0В 3 и второе 0В 4 выбраны одномодовыми и на сердцевине первого 0В 3 нанесена дифракционная решетка. Ее использование для создания одночастотного режима генерации известно [5]. Наблюдалось появление одночастотного режима генерации, что проиллюстрировано на Фиг.5.
Таким образом, реализован предложенный кольцевой лазер со значительно сниженными потерями излучения внутри составного кольцевого резонатора, повышенной надежности и стабилизации основной моды кольцевого лазера излучения. Получен одночастотный спектр выходного излучения. Упрощена и освоена технология его изготовления.
Промышленная применимость
Предложенный кольцевой полупроводниковый лазер имеет много возможностей для применения в новых функциональных устройствах, типа восстановления синхронизации цепи логических устройств или оптического гироскопа, системах измерения и т.д.
Источники известности, использованные при написании заявки:
1. Патент США 4405236 (SEIICHI ISHIZAKA: HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA-JP). 2009.1983, 356/350. G 01 C 19/64,
2. Патент США 4986661 (ROCKWELL INTERNATION CORP.; US), 06.02.2001, 351/221, A 61 B 3/10,
3. Патент РФ 2019013 (БЕЛЯЕВ А.А., ДУРАЕВ В.П, САПОЖНИКОВ СМ, СУМАРОКОВ М.А, ШВЕЙКИН В.И.; RU), 02.06.1992, H 01 S 3/025,
4. Патент РФ 2022429 (БЕССОНОВА СВ., ДАНИЛОВ А.И., ДУРАЕВ В.П., СИНИЦИНА Н.В, СУМАРОКОВ М.А.; RU), 02.06.92, H 01 S 3/025,
5. В.П.Дураев и др., «Квантовая электроника» (2001), т. 31, №6, сс.529.