DE19602199A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Koppeln einer Laserdiode an einen Mehrkanalmodulator - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Koppeln einer Laserdiode an einen Mehrkanalmodulator

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Koppeln einer Laserdiode an einen Mehrkanalmodulator gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 4, insbesondere Mehrkanalmodulatoren, die eine Alternative zu einzeln adressierbaren, mehrelementigen Laserdioden darstellen.
Um die Leistung und Datenübertragungsgeschwindigkeiten, die durch Laserdioden verfügbar sind, zu erhöhen, werden manchmal mehrelementige, einzeln adressierbare Anordnungen von Laserdioden verwendet. Diese können beugungsbegrenzte Einzelmodustypen oder Anordnungen von Breitflächen-Sendern sein. Die Breitflächen-Sender sind in einer Richtung beugungsbegrenzt, die als "enge" Richtung bezeichnet wird und wirken als eine Breitflächen-Quelle in der anderen oder "breiten" Richtung. Der Vorteil der Breitflächen-Sender, die auch als "Streifen-" oder "Fächer"-Laserdioden bezeichnet werden, ist die erheblich höhere mögliche Ausgangsleistung. Aufgrund dieser hohen Leistung müssen diese Vorrichtungen an einer Seite mit einer Wärmesenke verbunden werden, da die thermische Leitfähigkeit des Substratmaterials erheblich geringer als die der Wärmesenke ist. Da jedoch die Verbindungen mit den einzelnen Dioden ebenso aus dieser Verbindungsfläche herausgeführt werden müssen, tritt ein Zielkonflikt auf, so daß ein Kompromiß zwischen den Notwendigkeiten der Wärmeableitung einerseits und den Verbindungen andererseits erforderlich ist.
Ein weiteres Problem mit mehrelementigen, einzeln adressierbaren Dioden ist deren Zuverlässigkeit. Da jede Diode auf eine einzelne Modulatorzelle und dann auf ein lichtempfindliches Material oder einen lichtempfindlichen Sensor fokussiert wird, macht ein Fehler oder Defekt in irgendeinem der vielen Elemente die Vorrichtung unbrauchbar. Dem Stand der Technik entsprechende Versuche, diese Probleme durch Koppeln einer Breitflächen-Laserdiode mit einem Mehrkanalmodulator zu überwinden, waren nur teilweise erfolgreich, da diese Versuche einen hohen Kollimationsgrad in beiden Achsen verlangten. Die Breitflächen-Laserdioden können aber nur in einer Achse parallel ausgerichtet werden. Beispielsweise verwendet das US-Patent Nr. 4,577,932 eine Breitflächen-Laserdiode und einen akusto-optischen Modulator. Jedoch ist sie auf den Betrieb in einem Pulsmodus und auf relativ enge Dioden beschränkt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, sehr breitflächig strahlende Laserdioden (typischerweise 10 mm breit) in Verbindung mit elektro-optischen Mehrkanalmodulatoren zu schaffen, die mit einer mehrelementigen, einzeln adressierbaren Laserdiode gleichwertig sind, ohne jedoch die Beschränkung einer solchen Vorrichtung aufzuweisen.
Ferner soll durch das Beseitigen des Kompromisses zwischen Verbindung einerseits und Wärmeableitung andererseits und durch das Beseitigen der Auswirkungen von datenabhängiger Temperaturwechselbeanspruchung eine Vorrichtung ausgebildet werden, die eine höhere Zuverlässigkeit als eine mehrelementige, einzeln adressierbare Diode aufweist.
Des weiteren sollen Mehrkanal-Laserdiodensysteme bereitgestellt werden, die weniger anfällig für Reflektionen (von dem bestrahlten Material) sind als die "enge" Sender aufweisenden Laserdioden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 4.
Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Koppeln einer breitflächig sendenden Laserdiode vorgesehen, die aus mehreren Sendern aufgebaut ist und parallel zu einer linearen Lichtsteuereinrichtung betrieben wird. Eine solche Vorrichtung ist dabei vorzugsweise eine Breitflächen-Diode, die aus einer Vielzahl von kleinen, parallelen Elementen aufgebaut ist, deren Elemente jedoch nicht einzeln adressierbar sind. Das Verfahren umfaßt das Abbilden eines jeden Senders auf der linearen Lichtsteuereinrichtung und das Überlagern aller Bilder der Sender, um die Unempfindlichkeit gegenüber örtlichen Defekten und Fehlern, die in irgendeinem einzelnen Sender auftreten, zu erhöhen, da die Nahfeldstrahlung der Diode nicht in den Längendimensionen der Diode abgebildet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei das Abbilden vorzugsweise unter Verwendung einer Linsenanordnung, die in der Nähe der Laserdiode angeordnet ist, vorgenommen wird. Die Anordnung weist eine Teilung bzw. Breitenabstufung auf, die etwas weniger als die Teilung bzw. Abstufung der Sender beträgt. Die Brennweite der Linsenanordnung ist ungefähr gleich dem Abstand von den Sendern, an dem die Strahlen der Sender das Überlagern beginnen. Die Verwendung einer solchen Linsenanordnung ermöglicht eine wesentlich größere Anzahl von Kanälen als dies mit dem Aufbau einer mehrelementigen, einzeln adressierbaren Laserdiode möglich ist.
Das Verfahren umfaßt vorteilhafterweise Einrichtungen zum Überlagern eines Teils des gemeinschaftlichen Abbildes der Sender auf einem anderen Teil desselben Abbildes, um die Gleichförmigkeit der Beleuchtung der Lichtsteuereinrichtung zu verbessern.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung umfaßt einen Mehrkanalmodulator zum Modulieren des Lichts einer breitflächig sendenden, aus mehreren Sendern aufgebauten Laserdiode, die eine Lichtsteuereinrichtung zum Modulieren von darauf auftreffendem Licht entsprechend der Steuerung der Lichtsteuereinrichtung durch Eingabedaten umfaßt, wobei das modulierte Licht von der Lichtsteuereinrichtung auf ein wärme- oder lichtempfindliches Material fokussiert wird.
Durch ein derartiges Überlagern des Lichtes jedes Senders braucht man, wenn ein Sender ausfallen sollte, nur die Leistungsabgabe der vielen anderen Sender zu erhöhen, um den Verlust zu kompensieren, ohne dabei die gesamte Laserdiode auswechseln zu müssen.
Eine längliche, teilzylindrische Mikrolinse wird zum Ausrichten des Lichts der Laserdiode in einer ersten Dimension verwendet, ebenso wie die Linsenanordnung verwendet wird, um Licht von der Diode in einer zweiten Dimension, die senkrecht zu der ersten Dimension ist, so zu fokussieren, daß an der Lichtsteuereinrichtung das Licht einer jeder Linse dem Licht jeder anderen Linse der Linsenanordnung überlagert wird.
Die Laserdiode weist eine Vielzahl von Sendern auf, die parallel verbunden sind, wobei die Linsenanordnung für jede Linse der Anordnung einen Sender umfaßt, ferner jede Linse zylindrisch sein kann sowie eine Achse aufweist, die senkrecht zu der Achse der länglichen Mikrolinse ist. Die Teilung bzw. Breitenabstufung einer jeden Linse kann bevorzugt etwas kleiner sein als die Teilung bzw. Abstufung der Laserdiodensender.
Vorzugsweise ist eine Spiegeleinrichtung zum Reflektieren von Licht der Fokussiereinrichtung vorgesehen, um das Licht, das auf der einen Seite einen abfallenden Bereich des Intensitätsprofils ausbildet, dem Licht zu überlagern, das einen abfallenden Bereich des Intensitätsprofils auf der anderen Seite ausbildet, um somit ein ungefähr rechteckiges Intensitätsprofil an der Lichtsteuereinrichtung bereitzustellen. Durch diese Überlagerung der abfallenden Teile der Enden des Intensitätsprofils kann ein größerer Teil des Ausgangslichtes der Dioden verwendet und damit eine wesentlich größere Laserleistungsausnutzung erzielt werden.
Um diese Vorgaben zu erfüllen, werden alle Elemente in der Laserdiode parallel verbunden, um eine einzige Laserdiode auszubilden. Die Diode bildet auf einen elektro-optischen Mehrkanalmodulator ab, der das Diodenabbild dann in eine große Anzahl von unabhängigen Kanälen unterteilt.
Um einen hohen Kopplungs-Wirkungsgrad zwischen der Laserdiode und dem Modulator zu erreichen, wird eine Linse mit zylindrischer Austrittsfläche für die "enge" Dimension und eine Linsenanordnung für die "breite" Dimension verwendet, ebenso wie Umlenkspiegel verwendet werden, um die Beleuchtung oder das Intensitätsprofil rechteckiger zu gestalten. Unter Verwendung dieser Schritte kann ein Kopplungs-Wirkungsgrad zwischen der Laserdiode und dem Modulator erreicht werden, der ungefähr 90% beträgt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2-a eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 1;
Fig. 2-b eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 1;
Fig. 3 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 1, die das "Überlagern" des Intensitätsprofils zum Erhöhen der Leistungsausnutzung darstellt.
In Fig. 1 sendet ein Hochleistungslaser in Form einer breitflächig sendenden Laserdiode 1 einen Lichtstrahl 2 aus, der in der vertikalen Dimension mittels einer halbzylindrischen Mikrolinse 3 gebündelt wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Linse 3 eine längliche, asphärische Linse, wie sie in dem US-Patent 5,080,706 beschrieben ist. Eine zweite Mikrolinse 4 umfaßt eine lineare Anordnung mehrerer Linsen 4′ mit zylindrischer Austrittsfläche, die bezüglich der Mehrfach-Sender 1′ der Laserdiode 1 ausgerichtet sind. Das Licht der Linsen 4′ wird mittels einer teilzylindrischen Linse 5 gebündelt und als eine Linie auf der linearen Lichtsteuereinrichtung 6 abgebildet.
Wenn ein Hochleistungslaser verwendet wird, ist die lineare Lichtsteuereinrichtung 6 eine Polarisationsvorrichtung, die bewirkt, daß sich der Polarisationszustand des Lichtes ändert, wenn eine Spannung an die Elektroden des Polarisationsmaterials angelegt wird, wie dies durch die Pfeile DATEN angedeutet ist. Ein Polarisationsprisma 7 überträgt das Licht mit horizontaler Polarisation (d. h. das Licht geht durch die nicht-aktivierten Zellen der linearen Polarisationsanordnung hindurch) und reflektiert das Licht 11, dessen Polarisation beim Durchtritt durch die aktivierten Polarisationszellen verändert wurde, zur Seite hin. Das Abbild auf dem wärme- oder lichtempfindlichem Material 9 weist Bereiche ohne Beleuchtung auf, entsprechend den Teilen der Lichtsteuereinrichtung 6, die eine an die Elektroden der Polarisationszelle angelegte Spannung aufweisen. Die Lichtsteuereinrichtung 6 ist nicht Teil der Erfindung und wird deshalb nicht im Detail beschrieben, wobei die Erfindung aber mit irgendeiner Ausführungsform einer Lichtsteuereinrichtung betrieben wird, beispielsweise einer magneto-optischen, verstellbaren Spiegelvorrichtung, einem ferro-elektrischen Flüssigkristall oder anderen. Lineare Lichtsteuereinrichtungen können von Semetex (Torrance, CA), Motorola (Albuquerque, NM), Displaytech (Boulder, CO), Texas Instruments (Dallas, TX) und anderen bezogen werden. Eine Abbildungslinse 8 bildet die Lichtsteuereinrichtung 6 auf dem wärmeempfindlichen oder lichtempfindlichen Material 9 ab, wobei ein Bild 10 geformt wird. Dieses Bild 10 ist eine verkleinerte Abbildung des Bildes an der linearen Lichtsteuereinrichtung 6.
Um die Unempfindlichkeit gegenüber örtlichen Defekten in der Laserdiode 1 zu erzielen, werden die Brennweite und die Teilung der Linsen 4′ in der Mikrolinse 4 derart ausgewählt, daß jeder Sender 1′ der Diode 1 auf der kompletten Breite der Lichtsteuereinrichtung 6 abgebildet wird. Die Anzahl der Linsen 4′ ist gleich der Anzahl der Laserdiodensender 1′. Die Teilung der zylindrischen Linsen 4′ ist etwas kleiner als die Teilung der Laserdiodensender 1′, um zu bewirken, daß das Bild aller Sender 1′ an der Lichtsteuereinrichtung 6 überlagert wird. Für die größte Helligkeit sollte die Brennweite der Linsen 4′ ungefähr gleich dem Abstand von der Diodenvorderseite sein, bei dem sich die Strahlen der einzelnen Sender 1′ überkreuzen.
Bezugnehmend auf Fig. 2-a und 2-b in Verbindung mit Fig. 1 sind die Bilder aller Sender 1′ auf der Lichtsteuereinrichtung 6 in Form einer Linie überlagert. Die Intensität dieser Linie ist auf dem größten Teil ihrer Länge gleichförmig, da die Sender 1′ der Laserdiode 1 Breitflächen-Sender sind. Diese Sender strahlen typischerweise gleichförmig über ihre Breite aus, fallen jedoch an den Enden ab. Diese mittels der Lichtsteuereinrichtung 6 modulierte Linie wird auf wärme- oder lichtempfindliches Material 9 abgebildet. In den meisten Anwendungen wird die Diode 1 im Infrarotbereich des Spektrums, typischerweise zwischen 800 nm bis 850 nm, betrieben, wobei das Material 9 eher wärmeempfindlich ist, als daß es auf eine bestimmte Wellenlänge anspricht. Ein Betreiben derselben Vorrichtung in dem sichtbaren Spektrum ist unter Verwendung einer im sichtbaren Bereich betriebenen Laserdiode ebenso möglich.
Bezugnehmend auf Fig. 3 zeigt ein Graph 12 das Intensitätsprofil der Beleuchtung, das von dem Überlagern der Bilder aller Sender 1′ der Laserdiode 1 unter Verwendung einer Linsenanordnung 4 herrührt. Dieses Profil ist ebenso das Profil eines jeden Senders 1′, da die Bilder genau überlagert sind. Nur das flache Teil des Profils kann verwendet werden, da die Lichtsteuereinrichtung 6 gleichförmig beleuchtet werden muß. Die abfallenden Enden des Beleuchtungsprofils stellen einen Leistungsverlust zwischen 30% und 40% der gesamten Leistung dar. Um diese Leistung trotzdem verwenden zu können, wird die in Fig. 3 dargestellte Verbesserung verwendet. Ein Spiegel 13 reflektiert den abfallenden Teil des Intensitätsprofils 12 auf einen zweiten Spiegel 14. Der Spiegel 14 fügt diesen Teil des Profils dem abfallenden Profil am anderen Ende der Beleuchtungslinie hinzu, wie dies durch den Graph 15 dargestellt ist. Dieser Graph stellt das Intensitätsprofil unmittelbar nach Spiegel 14 dar. Durch ein Angleichen des Winkels des Spiegels 14, um das abfallende Teil der Profile an der Lichtsteuereinrichtung 6 zu überlagern, wird ein annähernd rechteckiges Profil 16 erreicht. Dieses Verfahren verursacht eine etwas höhere Winkelstreuung als in Fig. 2-a, erhöht aber die Laserleistungsausnutzung wesentlich.
Da die auf die Lichtsteuereinrichtung 6 projizierte Linie eine Überlagerung vieler Sender 1′ (typischerweise 10 bis 40 Stück) der Laserdiode 1 ist, erzeugt ein Ausfall eines einzelnen Senders 1′ noch keinen dunklen Punkt auf der Lichtsteuereinrichtung 6. Statt dessen nimmt lediglich die Gesamtbeleuchtungsintensität ab. Beispielsweise wird bei einer Laserdiode 1 mit zwanzig Sendern 1′ ein einziger defekter Sender 1′ die Beleuchtungsintensität der Lichtsteuereinrichtung 6 nur um 5% reduzieren. Dieser gleichförmige Abfall in der Beleuchtungsintensität kann durch das Erhöhen des Laserdiodenstroms leicht kompensiert werden.
Beispielsweise ist die Laserdiode 1 eine 20 W C-Diode, hergestellt von Opto-Power (City of Industry, CA), Teile-Nr. OPC-B020-80-CS. Sie umfaßt 19 einzelne Sender nebeneinander, wobei jeder Sender 1′ jeweils 150 Mikrometer lang und auf einen Mittenabstand von 787,5 Mikrometer ausgerichtet ist. Diese Abmessungen lassen somit 637,5 Mikrometer Breitenabstand zwischen den einzelnen Sendern 1′. Da die Divergenz in der Weitenabmessung dieser Diode ungefähr 10° beträgt, überkreuzen sich die Strahlen der einzelnen Sender 1′ in ungefähr 637,5/tan 10° = 3,6 mm Entfernung von der Laserdiode 1. Dies legt die Brennweite der Linsenanordnung 4 fest. Die Mikrolinse 3 ist eine längliche, halbzylindrische Linse mit einem Öffnungswert von 0,73, hergestellt von Blue Sky Research (San Jose, CA), Teile-Nr. SAC 800. Die Linsenanordnung 4 besteht aus 19 teilzylindrischen Beugungs-Mikrolinsen 4′ mit einer Teilung bzw. Abstand von 785 Mikrometer und einer Brennweite von 3,5 mm, hergestellt von Teledyne Brown Engineering (Huntsville, AL) unter Verwendung eines 16-Stufen-(4-Masken-)Verfahrens. Die teilzylindrische Linse 5 weist eine Brennweite von ungefähr 250 mm auf. Diese Abmessungen sind ausreichend, um eine Lichtsteuereinrichtung 6 auf 6 mm Breite gleichmäßig zu beleuchten, wenn die Anordnung gemäß Fig. 2-b verwendet wird und auf ungefähr 10 mm Breite, wenn die Anordnung der Fig. 3 verwendet wird. Der Abstand zwischen Linse 5 und Linsenanordnung 4 beträgt ungefähr 250 mm. Der Abstand zwischen Linsenanordnung 4 und den Laserdioden-Sendern 1′ beträgt ungefähr 3,8 mm. Die Linse 3 ist so eingestellt, daß in der vertikalen Dimension an der Lichtsteuereinrichtung 6 die schärfste Linie abgebildet wird. Da die Teilung der zylindrischen Linsen 4′ der Linsenanordnung 4 etwas kleiner ist als die Teilung der Sender 1′ der Laserdiode 1 (776,3 Mikrometer gegenüber 787,5 Mikrometer) sind die Bilder aller Sender 1′ in einem Abstand von ungefähr 250 mm überlagert, da die akkumulierte Verschiebung der Sender 1′ etwa 9 × (787,5 - 776,3) ≈ 100 Mikrometer beträgt, was eine Bildverschiebung von (100/3600) × 250 mm ≈ 7 mm ergibt. Mittels der Anordnung der Lichtsteuereinrichtung 6 in diesem Abstand kann die dieser Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung erreicht werden.
Obwohl diese Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles unter Verwendung von konkreten Abmessungs- und Dimensionierungsangaben beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, durch Ändern der Abmessungs- und Dimensionierungsgrößen, wie beispielsweise Linsenabstand oder Linsendimensionierung, einen ähnlichen Aufbau herzustellen, dem das Prinzip der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Koppeln einer aus mehreren Sendern aufgebauten, breitflächig sendenden Laserdiode an einen Mehrkanalmodulator, wobei die Sender parallel zu der linearen Lichtsteuereinrichtung zum Modulieren von Licht betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sender (1′) auf der linearen Lichtsteuereinrichtung (6) unter Überlagerung mit den anderen Abbildern der Sender (1′) abgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abbilden in der Nähe der Laserdiode (1) eine Linsenanordnung (4) angeordnet wird, wobei die Brennweite der Linsenanordnung (4) so angepaßt wird, daß sie ungefähr gleich demjenigen Abstand von den Sendern (1′) ist, bei dem sich die Strahlen (2) der Sender (1′) zu überlagern beginnen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Randbereich des gemeinschaftlichen Abbildes der Sender (1′) einem anderen Randbereich desselben Abbildes zum Verbessern der Gleichförmigkeit der Beleuchtung der Lichtsteuereinrichtung (6) überlagert wird.
4. Vorrichtung zum Koppeln einer Laserdiode an einen Mehrkanalmodulator als Lichtsteuereinrichtung zum Modulieren von darauf auftreffendem Licht der aus mehreren Sendern aufgebauten, breitflächig sendenden Laserdiode, gekennzeichnet durch Linsen (3, 4, 5) zum Fokussieren von Licht der Sender (1′) auf die Lichtsteuereinrichtung (6), wobei das Licht jedes Senders (1′) dem Licht aller anderen Sender (1′) überlagert ist, und Einrichtungen (7, 8) zum Fokussieren von moduliertem Licht der Lichtsteuereinrichtung (6) auf ein wärme- oder lichtempfindliches Material (9).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (4) in der Nähe der Fokussiereinrichtung (3) der Sender (1′) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (3) eine längliche Mikrolinse zum Ausrichten von Licht der Laserdiode (1) in einer ersten Dimension ist, wobei die Linsenanordnung (4) das Licht der Laserdiode (1) in einer zweiten Dimension, die senkrecht zu der ersten Dimension ist, derart fokussiert, daß auf der Lichtsteuereinrichtung (6) das Licht einer jeden Linse (4′) dem Licht jeder anderen Linse (4′) der Linsenanordnung (4) überlagert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (1) eine Vielzahl von parallel verbundenen Sendern (1′) aufweist, von denen je einer jeder Linse (4′) der Linsenanordnung (4) zugeordnet ist, wobei jede Linse (4′) zylindrisch bezüglich einer Achse ist, die senkrecht zu der Achse der länglichen Mikrolinse (3) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der Linsen (4′) der Linsenanordnung (4) geringfügig kleiner als die Teilung der Sender (1′) der Laserdiode (1) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich des Hauptlichtpfades Spiegeleinrichtungen (13, 14) zum Reflektieren und Überlagern eines Randbereiches des Intensitätsprofils auf einen anderen Randbereich des Intensitätsprofils angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite jeder Linse (4′) der Linsenanordnung (4) gleich dem Teilungsabstand zwischen den Sendern (1′) geteilt durch den Tangens des Breitenstreuwinkels der Sender (1′) ist.
DE19602199A 1995-01-23 1996-01-23 Verfahren und Vorrichtung zum Koppeln einer Laserdiode an einen Mehrkanalmodulator Withdrawn DE19602199A1 (de)

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