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WO1996016345A1 - Pulsquelle mit einem laser und einer ihm nachgeschalteten kettenschaltung zweier mit sinusförmigen spannungen angesteuerter modulatoren - Google Patents

Pulsquelle mit einem laser und einer ihm nachgeschalteten kettenschaltung zweier mit sinusförmigen spannungen angesteuerter modulatoren Download PDF

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WO1996016345A1
WO1996016345A1 PCT/DE1995/001538 DE9501538W WO9616345A1 WO 1996016345 A1 WO1996016345 A1 WO 1996016345A1 DE 9501538 W DE9501538 W DE 9501538W WO 9616345 A1 WO9616345 A1 WO 9616345A1
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laser
pulse source
sinusoidal
modulators
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Erich Gottwald
Chandan Das
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/54—Optical pulse train (comb) synthesizer

Definitions

  • Pulse source with a laser and a series connection of two modulators controlled with sinusoidal voltages
  • mode-locked or Q-switched lasers or laser diodes directly modulated by corresponding electrical pulses are used as the optical pulse sources running at a defined repetition rate.
  • a disadvantage of mode-locked and Q-switched lasers is that only discrete pulse repetition rates can be set without integral adjustment of the laser resonator (integer multiples of the mode spacing); automatic readjustment appears to be very difficult. To the intensity or amplitude of one
  • the laser diode In order to modulate semiconductor lasers of outgoing light by direct modulation, the laser diode must be supplied with a relatively high current; It is also problematic that an undesired chirp is also associated with such direct modulation, i.e. a change in the wavelength of the emitted light depending on the level of radiation.
  • Modified direct modulation methods provide a desired frequency (or also phase) modulation of the laser with subsequent conversion into intensity modulation by means of a Mach-Zehner interferometer connected behind the semiconductor laser; an additive or subtractive interference of two mutually delayed beam paths is carried out and a corresponding intensity modulation is achieved at the output (Electronics Letters, Vol. 28, No .12, (02.07.92), pp 1305 - 1306, U. Fischer: lOGBit / s-
  • Electro absorption modulators In another known pulse source, a laser is followed by a chain connection of two electro absorption modulators (EAM) controlled with sinusoidal voltages, whereby short pulses with repetition frequencies of up to 5 GHz occur.
  • EAM electro absorption modulators
  • Electro absorption modulators Electro absorption modulators, however, only tolerate relatively low optical power levels and are otherwise too slow for higher repetition rates.
  • the invention now shows a way to an optical pulse source avoiding the disadvantages mentioned.
  • the invention relates to a pulse source with a laser and a chain circuit connected downstream of it two modulators controlled with sinusoidal voltages;
  • this pulse source is characterized in that a CW (continuous wave) -operated laser is followed by the chain connection of two amplitude modulators based on two-beam interference, in particular Mach-Zehnder interferometers, which are coupled with two sinusoidal-phase-locked coupled sinusoidal ones Modulator voltages of the frequency f or 2f - where 2f is the pulse repetition rate - are controlled, both two-beam interferometers being operated at full transmission at the operating point and the control amplitudes selected so that the respective modulator is at the peak values of the modulation voltage a state of minimal, ie at most, the transmission is negligibly low.
  • an optical pulse source with a laser LD and two amplitude modulators MZI1, MZI2 cascaded downstream of it is schematically sketched in a scope necessary for understanding the invention, each of which is supplied with a sinusoidal voltage.
  • the laser LD which is expediently formed by a laser diode, operates in CW (continuous wave) mode.
  • the two amplitude modulators which are formed, for example, with two Mach-Zehnder interferometers and are based on the principle of two-beam interference, are each operated at a full transmission operating point and controlled from this operating point by a sinusoidal modulation voltage, the respective transmission being in a cos 2 dependency on the control voltage changes.
  • the first amplitude modulator MZI1 is controlled by a sine voltage of frequency f generated by a corresponding, tunable source G
  • the second amplitude modulator MZI2 is controlled by a sine voltage of frequency 2f coupled rigidly to it.
  • the sine voltage of frequency 2f can be generated from the sine voltage of frequency f by frequency doubling in a frequency converter f / 2f.
  • the amplitudes of the two modulation voltages are chosen so that the peak values of the respective modulation voltage bring the respective modulator into a state of minimal, ie at most negligible, low transmission.
  • repetition ranges 1 / ⁇ T of approximately 20 GHz and pulse durations ⁇ t ⁇ 8 ps can be realized.

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Abstract

Einem CW-betriebenen Laser ist die Kettenschaltung zweier auf Zweistrahlinterferenz basierender Amplitudenmodulatoren nachgeschaltet, die mit zwei miteinander phasenstarr gekoppelten sinusförmigen Modulatorspannungen der Frequenz f bzw. 2f - wobei 2f die Pulswiederholungsrate ist - angesteuert werden, wobei beide Zweistrahlinterferometer im Arbeitspunkt voller Transmission betrieben werden und die Ansteueramplituden so gewählt sind, daß bei den Scheitelwerten der Modulationsspannung der jeweilige Modulator sich in einem Zustand minimaler Transmission befindet.

Description

Beschreibung
Pulsquelle mit einem Laser und einer ihm nachgeschalteten Kettenschaltung zweier mit sinusförmigen Spannungen angesteu- erter Modulatoren
Als mit definierter Wiederholungsrate laufende optische Puls¬ quellen verwendet man im allgemeinen mode-gelockte oder güte¬ geschaltete Laser oder auch durch entsprechende elektrische Impulse direktmodulierte Laserdioden. Nachteilig bei mode¬ gelockten und güte-geschalteten Lasern ist, daß ohne Nachju¬ stierung des Laserresonators nur diskrete Pulswiederholungs- raten einstellbar sind (ganzzahlige Vielfache des Modenab¬ stands) ; eine automatische Nachregelung erscheint als sehr schwierig. Um die Intensität bzw. Amplitude des von einem
Halbleiterlaser ausgehenden Lichts im Wege einer Direktmodu¬ lation zu modulieren, muß der Laserdiode ein relativ hoher Strom zugeführt werden; problematisch ist ausserdem, daß mit einer solchen Direktmodulation auch ein unerwünschter Chirp verbunden ist, d.h. eine austeuerungsabhängige Änderung der Wellenlange des ausgesandten Lichts.
Modifizierte Direktmodulationsverfahren sehen eine gewollte Frequenz-(oder auch Phasen-)Modulation des Lasers mit nach¬ folgender Umsetzung in eine Intensitätsmodulation mittels eines hinter den Halbleiterlaser geschalteteten Mach-Zehner- Interferometers vor; dabei wird eine additive bzw. subtrak- tive Interferenz zweier gegeneinander verzögerter Strahlen¬ gänge durchgeführt und damit am Ausgang eine entsprechende Intensitätsmodulation erreicht (Electronics Letters, Vol. 28, No .12, (02.07.92), pp 1305 - 1306, U. Fischer: lOGBit/s-
Transmission Over 69 km of Νon-Dispersion-Shifted Singlemode Fibre With CPFSK Direct Modulation of 1,55 μ BH DFB-Laser) .
Bei einer anderen bekannten Pulsquelle ist einem Laser eine Kettenschaltung zweier mit sinusförmigen Spannungen angesteu¬ erter Elektroabsorptionsmodulatoren (EAM) nachgeschaltet, wo¬ bei kurze Pulse mit Wiederholungsfrequenzen bis zu 5 GHz er- zeugt wurden (Electronics Letters, Vol.29, No.16 (05.08.93), pp 1449 ... 1451, H. Takana et al: Optical Short Pulse Gene¬ ration by Double Gate Operation of Tandem Connected Electro- absorption Modulators Driven by Sinusoidal Voltages) . Elek- troabsorptionsmodulatoren vertragen allerdings nur relativ geringe optische Leistungspegel und sind im übrigen für höhe¬ re Repititionsraten zu langsam.
Die Erfindung zeigt nun einen Weg zu einer die genannten Nachteile vermeidenden optischen Pulsquelle.
Die Erfindung betrifft eine Pulsquelle mit einem Laser und einer ihm nachgeschalteten Kettenschaltung zweier mit sinus¬ förmigen Spannungen angesteuerter Modulatoren; diese Puls- quelle ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß einem CW(Continous Wave) -betriebenen Laser die Kettenschaltung zweier auf Zweistrahlinterferenz basierender Amplitudenmodu¬ latoren, insbesondere Mach-Zehnder-Interferometer, nachge¬ schaltet ist, die mit zwei miteinander phasenstarr gekoppel- ten sinusförmigen Modulatorspannungen der Frequenz f bzw. 2f - wobei 2f die Pulswiederholungsrate ist - angesteuert wer¬ den, wobei beide Zweistrahlinterferometer im Arbeitspunkt voller Transmission betrieben werden und die Ansteuerampli¬ tuden so gewählt sind, daß bei den Scheitelwerten der Modula- tionsspannung der jeweilige Modulator sich in einem Zustand minimaler, d.h. allenfalls vernachlässigbar niedriger Trans¬ mission befindet.
Die Erfindung schafft eine hochratige Pulsquelle für fourier- limitierte optische Pulse mit durch einfaches Durchstimmen der Modulationsfrequenz f definiert kontinuierlich durch- stimmbarer Pulswiederholungsrate 2f und konstantem Verhältnis von Pulsabstand ΔT = l/2f und Pulsbreite Δt, wobei ΔT/Δt ≥ 6 ist.
An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung noch näher erläu¬ tert. Dabei zeigt FIG 1 das Schaltbild einer Pulsquelle gemäß der Erfindung; FIG 2 verdeutlicht den zeitlichen Verlauf der Pulse.
In FIG 1 ist schematisch in einem zum Verständnis der Er- findung erforderlichen Umfange eine optische Pulsquelle mit einem Laser LD und zwei ihm kaskadiert nachgeschalteten Am¬ plitudenmodulatoren MZI1, MZI2 skizziert, die jeweils mit einer Sinusspannung beaufschlagt werden. Der zweckmäßiger¬ weise durch eine Laserdiode gebildete Laser LD arbeitet im CW(Continous Wave)-Betrieb. Die beiden beispielsweise mit zwei Mach-Zehnder-Interferometern gebildeten, auf dem Prinzip der Zweistrahlinterferenz basierenden Amplitudenmodulatoren werden jeweils in einem Arbeitspunkt voller Transmission be¬ trieben und aus diesem Arbeitspunkt heraus durch eine sinus- förmige ModulationsSpannung gesteuert, wobei sich die jewei¬ lige Transmission in einer cos2-Abhängigkeit von der Ansteu¬ erspannung ändert. Dabei wird der erste Amplitudenmodulator MZI1 durch eine von einer entsprechenden, durchstimmbaren Quelle G erzeugte Sinusspannung einer Frequenz f gesteuert und der zweite Amplitudenmodulator MZI2 durch eine damit pha¬ senstarr gekoppelte Sinusspannung der Frequenz 2f. Wie dies auch aus FIG 1 ersichtlich ist, kann dabei die Sinusspannung der Frequenz 2f aus der Sinusspannung der Frequenz f durch Frequenzverdoppelung in einem Frequenzumsetzer f/2f erzeugt werden. Die Amplituden der beiden Modulationsspannungen wer¬ den dabei so gewählt, daß an den Scheitelwerten der jeweili¬ gen Modulationsspannung der betreffende Modulator jeweils in einen Zustand minimaler, d.h. allenfalls vernachlässigbar niedriger Transmission gelangt. Man erhält dann am Ausgang p des zweiten Amplitudenmodulators MZI2 optische Pulse der Form p(t) = [cos(—sin2π ) ]2* [cos(— än4ιφ ) ] 2 , deren Repetitionsrate der Frequenz 2f entspricht und deren Pulsdauer etwa l/13f beträgt, wie dies auch in FIG 2 ange¬ deutet ist. Mit den zur Zeit kommerziell erhältlichen Mach- Zehnder-Modulatoren lassen sich so Repetitionsra en 1/ΔT von etwa 20 GHz und Pulsdauern Δt < 8 ps realisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Pulsquelle mit einem Laser und einer ihm nachgeschalteten Kettenschaltung zweier mit sinusförmigen Spannungen angesteu- erter Modulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß einem CW-betriebenen Laser (LD) die Kettenschaltung zwei¬ er auf Zweistrahlinterferenz basierender Amplitudenmodulato¬ ren (MZIl, MZI2) nachgeschaltet ist, die mit zwei miteinander phasenstarr gekoppelten sinusförmigen Modulationsspannungen der Frequenz f bzw. 2f angesteuert werden, wobei beide Zwei- strahlinterferometer in einem Arbeitspunkt voller Transmissi¬ on betrieben werden und die Modulationsspannungsamplituden so gewählt sind, daß bei den Scheitelwerten der Modulationsspan- nung der jeweilige Modulator MZIl bzw. MZI2) sich in einem Zustand minimaler Transmission befindet.
2. Pulsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem CW-Laser (LD) zwei Mach-Zehnder-Modulatoren (MZIl, MZI2) in Kette nachgeschaltet sind.
3. Pulsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Modulationsspannung durch Frequenzverdopplung aus der ersten Modulationsspannung gewonnen wird.
PCT/DE1995/001538 1994-11-18 1995-11-07 Pulsquelle mit einem laser und einer ihm nachgeschalteten kettenschaltung zweier mit sinusförmigen spannungen angesteuerter modulatoren WO1996016345A1 (de)

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