DE3421851A1 - Verfahren zur wellenlaengen- und ggf. leistungsstabilisierung oder -regelung von halbleiterlichtquellen - Google Patents
Verfahren zur wellenlaengen- und ggf. leistungsstabilisierung oder -regelung von halbleiterlichtquellenInfo
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Description
G.Domann-0.A.Strobel 4-1
Verfahren zur We LLenlängen- und ggf. Leistungsstabi
Lisierung oder -regelung von HaLbleiter -
L i chtque L Len.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wellenlängen- und ggf. LeistungsstabiLisierung oder
-regelung von Ha Ib Lei ter I ichtqueLLen gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche 1 und 2.
Die spektrale Kontrolle longitudina ler Moden in Sendeelementen,
wie HaLbIeiterlaser oder anderen HalbLeiterLichtquellen,
spielt in zunehmendem Maße eine größere RoLLe in der Fasersensortechnik und bei optischen Übertragungssystemen
mit hohen Datenraten.
Dazu ist es erforder I ich, die Wellenlänge dieser Sendeelemente
genau zu messen und entsprechend den jeweiligen
Anforderungen zu stabilisieren.
Die bisher in der Literatur bekannten Verfahren erfordern meist eine aufwendige Apparatur und darüber hinaus
eine Temperaturstabilisierung auf £ 10 °Kelvin.
Hierbei werden We LlenLängenkonstanzen erreicht, die für
die teiLweisen hohen Anforderungen bei den vorgenannten Techniken und Systemen nicht ausreichen.
Aus der Zeitschrift "Elektronik·1 19/23.9.1983, Seite 30,
ist eine C -Laserdiode bekannt, deren SpektraLIinie des
j*
G.Domann-0.A.St robe I 4-1
G.Domann-0.A.St robe I 4-1
emittierten Lichts durch Verändern des Eingangsstromes
des rückwärtigen Abschnittes um 1 nm/mA und insgesamt um 15 nm abstimmbar ist. Weiterhin ist es aus dieser Literaturstelle
bekannt, die Laserdiode auf einen Wärmeableiter aus Kupfer zu bonden.
Aus der EP-OS oo 93 942 ist es weiterhin bekannt, eine Laserdiode
durch ein elektrisch betriebenes Kühlaggregat zu kühlen, da die Temperaturkonstanz von wesentlichem Einfluß
auf die We I lenLängenkonstanz ist.
Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Wellenlänge und ggf. auch die Leistung des von einer
HaLbleiterlichtquelle ausgesandten Lichtes auch über sehr Lange Zeit mit hoher Genauigkeit konstant zu haLten.
Dabei soll ggf. auch die Temperaturkonstanz mit möglichst wenig Aufwand realisierbar sein. Die Aufgabe soLL auch bei
möglichst geringen Anforderungen an die Temperaturkonstanz
ge Löst we rden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 bzw. des Nebenanspruchs 2 angegebenen Verfahrensschritte.
Diese. Verfahren decken sowohl die Bereiche
mit geringem als auch die mit den höchsten Anforderungen
an die We LlenLängenkonstanz ab. Darüber hinaus ist nur
eine Temperaturkonstanz von 0,1 Kelvin erforderlich, also
eine Zehnerpotenz weniger als bisher bekannt.' Dies bedeutet
einen erheblich verringerten Aufwand bei der Temperaturstab i Lisierung.
Außerdem ermöglichen die Verfahren gleichzeitig eine Leistungsstabilisierung,
ohne daß die WeLLenLangenkonstanz beeinträchtigt wird.
Außerdem kann der Raumbedarf für die notwendigen Hilfsmittel
ggf. um ein Vielfaches kleiner sein als bei bisherigen
- 9 COPY
G.Domann-O.A.Strobel 4-1
Verfahren. Es bietet sich somit die Möglichkeit des praktischen Einsatzes sowohl in der Sensortechnik als auch
für optische Übertragungssysteme.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und nachfolgend anhand
eines in der Zeichnung veranschaulichten Sc ha It Schemas
und anhand von Diagrammen für einen Halbleiterlaser beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 den Zusammenhang zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen einer HaIb Leiter Iichtque 11 e,
Fig. 2a den Kurvenverlauf eines Transmissionsfilters als
Funktion der Wellenlängef
Fig. 2b den Kurvenverlauf eines Absorptionsfilters als Funktion
der Wellenlänge,
Fig. 3'den schematischen Aufbau einer geeigneten Steuerung
zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 4 das Detektorsignal bei der Modulationsfrequenz als
Funktion der Laserwellenlänge,
.Fig. 5 das Detektorsignal bei der doppelten Modu lationsfrequenz
als Funktion der Laserwellenlänge,
Fig. 6 die Lasermittenwellenlänge in Abhängigkeit von der
Zeit im stabilisierten und nicht stabilisierten
Zustand,
Fig. 7 die Stabilität der Wellenlänge und der Leistung des
Lasers und die zugehörigen Änderungen des Injektionsstromes und der Temperatur über einen Zeitabschnitt
von ca. 20 Minuten,
- 10 -
Fig. 8 ein Diagramm der Quadratwurzel aus der Allan-Varianz
O (2, T) in stabilisiertem und nicht stabilisiertem Zustand,
Fig. 9 die Lasermittenwellenlänge bei verschiedenen Stabi-Iisierungsarten
und
Fig. 10 die Änderungen der Leistung des Lasers bei abgeschalteter
Leistungsstabilisierung,
Fig. 11 einen als i nt eg ri e rt-opt i se hes-Fab ry-Pe rot -Int e inferometer
verwendbaren Phasenmodulator in der
Drauf si cht,
Fig. 12 dasselbe von der Seite,
Fig. 13 die Filterkurve des integriert-optischen-Fabry-Perot-Interferometer,
Fig. 14 den schematischen Aufbau einer Stabi I isierungseinheit
mit einem int egriert-optischen-Fabry-
Perot-Interferometer,
,der
Fig. 15a bis c den ,Verlauf det ekt i e rt en Signale bei verschiedenen
Betriebszuständen des Lasers und die
Fig. 16 die La serwe 11 en I änge im stabilisierten und unstabilisierten
Zustand.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durchführbar mit lichtemittierenden
Ha Ib Ie i t e r I ase rn wi e :, Monomode I ase rn , Multimodelasern,
Super lumineszenzdiöden . Die genannten Halbleiterlichtquellen
besitzen gemeinsam die gleichen charakteristischen
Eingangs- und Ausgangsgrößen, zwischen denen
die nachfolgend beschriebenen, in Fig. 1 dargestellten
Zusammenhänge bestehen.
- 11 -
G.Domann-O.A*'St robel 4-1
Durch Änderung des Eingangsstromes I wird sowohl die Leistung P als auch die Wellenlänge Λ des HaLb leiterlasers
verändert, und zwar in gleichem Sinn, d.h. bei Erhöhung des Eingangsstromes I wird die Wellenlänge Λ zu höheren
Werten hin verschoben und gleichzeitig die Leistung P erhöht. Außerdem wird durch Änderung des Eingangsstromes I
die Temperatur des Halbleiters proportional geändert. Die
Temperatur des Halbleiters bewirkt wiederum eine Änderung der Ausgangsleistung und der Wellenlänge der Halbleiterlichtquelle. Es ist also ersichtlich, daß durch Regelung
der beiden Eingangsgrößen die Wellenlänge und die Leistung konstant gehalten werden kann. Diese Zusammenhänge können
mathematisch wie folgt beschrieben werden:
,31
dl + Wf
(D
ei
)dT·
Wf
Zur Realisierung der Stabilisierung der Ausgangsgrößen des
Halbleiterlasers wird erfindungsgemäß der Laser mit einer
Modulationsspannung moduliert oder ein Teil des Laserlichts
durch ein geeignetes elektrisch steuerbares Filter moduliert und aus der Hodulationsfrequenz mit Hilfe eines Wellen längense lekt/ionsf i Iters entsprechende Meßgrößen und
Steuergrößen erzeugt.
Der modulierte Injektionsstrom des Lasers und die dadurch
erzeugte LaserlichtweLlenlänge und Laserausgangsleistung
ist durch folgende mathematische Beziehung beschreibbar:
- 12 -
COPY
G.Domann-O.AiSt robe I 4-1
(3) Λ^Ci (4)
pt * I *&pa· s1nwt " (5)
I : Laser Injektionsstrom
I0 : In j ekt ionsg Lei c hst rom
I0 : In j ekt ionsg Lei c hst rom
ΔL : Amplitude des HoduLationsstromes
J[ : Laser We L Len Längen-GLei chantei L
A ' Läser-MittenweILenLänge
&J{a '· Laser-We I Len Längenamp L i tude durch Modulation
P0 : Laser-GleichLei stungsantei L
aPr : Laser-LeistungsampLitude durch Modulation
Λ
Die FiLterkurven der verwendeten WeLlenlängenselekt\ionsfilter
können als trigonometrische Fuktionen beschrieben
werden. Wie der Fig. 2a zu entnehmen ist, kann bei einem
Transmissionsfilter die Filterkurve im Bereich der mittleren
Wellenlänge des Filters A . bei einem Transmissionsfilter
als cos-Funktion betrachtet werden, wobei die Transmission bei Modulation folgender Formel genügt:
Z* '· maximale Filtertransmission
f : Filter-Mi ttenwel Len länge
: Filter-Bandbreite
- 13 -
G.Domann-0.A.St robe I 4-1
Entsprechend kann bei einem AbsorptionsfiIter, dessen
Filterkurve in Fig. 2b dargestellt ist, die Fi Iterkurvenfunktion
ebenfalls als cos-Funktion, jedoch mit negativem Vorzeichen^ angesehen werden. Für einTransmissionsfiI-ter
ergeben sich dann Nullstellen, wenn die Laserwellenlänge kleiner ist als die Mittenwellenlänge des Filters
minus der FiLterbandbreite oder wenn die Laserwellenlänge
größer ist als die Mittenwellenlänge des Filters plus
der Filterbandbreite.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend anhand der
Fig. 3 beschrieben. Diese zeigt das Aufbauschema und die Schaltung eines möglichen Ausführungsbeispiels. Einer vorzugsweise
als Laser 1 ausgebildeten Ha Ib Leiter I ichtquel I e,
beim AusfuhrungsbeispieI ein GaAlAs-HaIb Leiter-Laser, ist
beiseitig zur Temperaturregelung je ein Peltier-Element 2
und 3 zugeordnet. Letztere sind im Bereich des nach vorn austretenden Laserstrahls 4 bzw. des rückwärts austretenden
Laserstrahl 5 mit einem entsprechenden, beispielsweise
durch einen NdYag-Laserst rah I erzeugten Bohrung versehen.
Der Laser 1 ist mit einem regelbaren Eingangsstrom In auf
die gewünschte Leistung und Wellenlänge einstellbar, über die Pe 11ier-Elemente 2, 3 wird die Temperatur des Lasers
auf einen erforderlichen Wert eingestellt und mit einer
Genaui gke
gehalten.
Genauigkeit von beispielsweise 10 bis 1 Kelvin konstant
Der rückwärtige Laserstrahl 5 durchläuft eine Fokussieroptik
6, ein Polarisationsfilter 7 und eine Viertelwellenlängenplatte 8, die Rückreflexionen in den Laser 1 verhindern.
Durch ei nen nachfolgenden St rah I tei Ie r 9 kann ein
Teil 51 des rückwärtigen Laserstrahls 5 ausgeblendet werden. Dieser Teilstrahl 5' wird über einen Gitter-Monochromator
10, einem optoelektrise hen Wandler 11,
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G. Domann-0.A.Strobel 4-1
z.B. eine Lichtempfindliche Diodenzeile, die die optischen
in elektrische Signale umwandelt, zugeführt. Letztere sind an einer Anzeige 12 sichtbar. Durch diese Anordnung,
die an sich für die Funktion der Erfindung nicht
notwendig ist, kann der Laser 1 bei Inbetriebnahme erstmals ohne Regelung und Stabilisierung auf die Sollwellenlänge,
also bei einem Monomode-Laser auf die Mittenwellenlänge
A und bei einem Multimode-Laser oder einer Super
lumineszenzdiode auf diese oder auf eine der Nebenmoden
eingestellt werden.
Der Strahl 511 durchläuft ein Fabry-Perot-Interferometer
13, dem ein Detektor 14 nachgeschaltet ist. Der Ausgang
des letzteren wird einem ersten und einem zweiten
phasenempfindlichen Verstärker 15 bzw. 16 zugeführt, die
als sogenannte Lock-in-Verstärker an sich bekannt sind.
Von einem NF-Generator 17 wird eine Modulationsspannung
UM . dem Laser 1 zur Modulation des Laserstrahls 4, 5 und als
Mod
Referenzspannung den beiden phasenempfindlichen Verstärkern
15 und 16 zugeleitet. Der Ausgang des ersten Verstärkers
15 ist mit einer Regeleinheit 18 und diejenige des
zweiten phasenempfindlichen Verstärkers 16 ist mit einer
Regeleinheit 19 verbunden, die je einen Komparator enthalten.
Die Regeleinheit 18 regelt die Peltier-Elemente
und 3 und die Regeleinheit 19 den Injektionsstrom I des
Lasers 1 .
Der Verfahrensablauf und die Wirkungsweise der Einzelaggregate
ist wie folgt:
Nach Inbetriebnahme und Einstellung der Laserwellenlänge
wie oben dargelegt, wird durch die vom NF-Generator 17 erzeugte Modulationsspannung IL· , = Unsin<yt mit einer
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G.Domann-O.A,StrobeL 4-1
Frequenz von beispielsweise 1 kHz der Eingangsstrom IQ moduliert.
Damit ändert sich die Mittenwellenlänge Λ _ und
die Laserlei stung P entsprechend den Beziehungen (4) und
(5).
Als Folge dieser Modulation tritt am Ausgang des Fabry-Perot-Interferometers
13 und nach Detektion durch den Detektor 14 an letzterem ein Ausgangssignal auf, das außer
dem Gleichanteil des Laserstrahls 511 auch dessen Harmonische
enthält. Rechnerisch ist das Detektorsignal nach Bessel-Funktionen entwickelbar. Insbesondere heben sich die
ersten Glieder derselben deutlich ab, also die Grundwelle oder erste Harmonische der Modulationsspannung U„ , mit
der Frequenz
dargestellt in Fig. 4,
und der doppelten Frequenz oder zweiten Harmonischen,
dargestellt in Fig. 5, wobei IV die Besse l-Funkt ion i>-ter
Ordnung erster Art bedeutet. Im Bereich!^ - - ArI"*^
können die Filterkurven als sin- (Fig. 4) bzw. cos-Funktion (Fig. 5) betrachtet werden.
Wie aus der Gleichung (9) und Fig. 4 ersichtlich, ist die Phasenlage von U^(A) im Bereich der Mittenwellenlänge
Λ c des Lasers 1 sehr stark abhängig von der augenblickliehen
Wellenlänge A des Lasers 1, so daß dieser Term
gut für die Nachregelung und Stabilisierung der Laser-
- 16 -
6. Domann-0.A.Strobel 4-1
Mittenwellenlänge A geeignet ist. Dies geschieht dadurch,
daß über den Verstärker 16 und die einen Komparator enthaltende Regeleinheit 19 U/sCA) mit der Grundwelle
der Modulations spannung U , verglichen wird und über das
erhaltene positive oder negative Signal der Eingangsst rom
In des Lasers 1 nachge n_ege 11 wird. Dadurch wird die Laser-
wellenlänge A zur Mittenwellenlänge A r hin verschoben
und damit stabilisiert.
Aus der Gleichung (8) und der Fig. 5 ist ersichtlich, daß
die doppelte Modulationsfrequenz IL· (A) bei kleinen Abweichungen
der Laserfrequenz Λ von der Filter-Mitten-Wellenlänge
Λ r praktisch unabhängig von der Laserwellenlänge
A ist.
Diese Tatsache wird dazu ausgenutzt, mit diesem Anteil die
Leistung des Lasers 1 zu regeln und zu stabilisieren.
Hierzu wird der Anteil mit der doppelten Modulationsfrequenz
260 dem Verstärker 15 eingegeben, der unter Phasenvergleich
mit dem entsprechenden Anteil der Modulationsspannung U„ ,sin2Ot über die Regeleinheit 18 die Leistung
des Lasers 1 durch Regelung der Temperatur desselben über
die Pe 11ier-Elemente 2 und 3 regelt und stabilisiert.
In Fig. 6 ist die Laser-Mittenwellenlänge über einen Zeitraum
von 4 Minuten dargestellt. An der ersten Sprungstelle wurde eine Eichung zwecks Bestimmung der Meßgrößen
vorgenommen. Die Temperatur wurde auf 1 mK genau geregelt.
Wie ersichtlich, wird bei Regelung der Wellenlänge A
-9
eine Genauigkeit von etwa 10 (RMS) erreicht (Wellenlänge des verwendeten GaA I As-La se rs ää83 nm).
eine Genauigkeit von etwa 10 (RMS) erreicht (Wellenlänge des verwendeten GaA I As-La se rs ää83 nm).
Die Fig. 7 zeigt die Wellenlänge λ Γ bei eingeschalteter
We Ilenlängenrege lung und die Leistungsabweichung, also
- 17 -
G.Domann-0.A.St robe L 4-1
die Leistungsstabilität, sowie die dabei erforderliche Änderung
des Gesamt stroms des Lasers (also In jektionsst rom
und ModuLationsstrom und Regelstrom) und die erforderliche
Änderung der Temperatur. Beim eingezeichneten Bereich A
ist ein Modensprung aufgetreten. Dieser kann in solchen Systemen durch die zum Teil nicht totale Isolation, d.h.
die nicht totale Verhinderung der Rückref lexion des rückwärtigen
Strahls 5 zum Laser "!^auftreten.
Die in Fig. 8 dargestellte Allan-Varianz zeigt deutlich,
daß in stabilisiertem Zustand über die Integrationszeit
das Rauschen geringer, also die Variation der Laser-Mittenwellenlänge kleiner wird und im ungeregelten Zustand,
trotz einer, Temperaturkonstanz von _+ 1 mK, das Rausc
hen größer wi rd.
Es sind auch Anwendungsfälle möglich, in denen eine Wellenlängenstabilisierung
ausreicht und nur geringe Anforderungen an die Leistungsstabilität gestellt werden. Unter diesem
Gesichtspunkt wurde experimentell der Einfluß der Wellenlängenstabilisierung
unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt und im Diagramm der Fig. 9 festgehalten. Im
Bereich B1 wurde die' La ser-WeL len länge stabi I isiert und
die Temperatur des Lasers 1 auf 1 mK konstant gehalten. Die steile Anfangsflanke zeigt wiederum die Eichung der Messung.
Im Bereich B2 wurde die Λ. -Stabilisierung ausgeschaltet.
Als Folge davon erhält man eine starke Änderung der Laser-Wellenlänge. Im Bereich B3 wurde die λ -Stabilisierung
ein- und die Temperaturstabilisierung ausgeschaltet.
Wie ersichtlich, wurde sofort wieder eine gute Wellenlängenstab i lisierung erreicht.
In der Fig. 10 ist schließlich dargestellt, daß auch bei ausgeschalteter Leistungsstabil is ierung die Leistungsänderung
über der Zeit unter 1% liegt. Dies liegt darin
- 18 -
G.Domann-O.A.St robe I 4-1
begründet, daß beide Eingangsparameter des Lasers 1
Wellenlänge und Temperatur in gleicher Richtung verschieden, d.h. eine Erhöhung des Injektionsstroms bewirkt eine
Erhöhung der Wellenlänge und der Leistung. Eine Erhöhung der Temperatur bewirkt sowohl eine Erniedrigung der Wellenlänge
als auch der Leistung.
Da bei den meisten Verwendungszwecken,· in denen sowohl
die Wellenlänge als auch die Leistung stabilisiert werden muß, größter Wert auf Wellenlängenkonstanz gelegt wird,
wird insbesondere in diesen Fällen die Rege I zeitkonstante
der Wellenlängenstabilisierung kleiner gewählt als diejenige
der Leistungstabilisierung. Im Ausführungsbeispiel
betrug die Regelzeitkonstante für die Wellenlängenstabilisierung
40 msec und diejenige für die Lei stungsstabi I isierung
betrug 4 see.
Wie beschrieben und dargeste 111 kann mit einfachen Mitteln
gleichzeitig eine Wellenlängen- und Leistungsstabilisierung
erreicht werden. Dabei erhielt man eine Leistungsstabilisierung besser als 10 und die Quadratwurzel aus
-9
der Allan-Varianz betrug 2-10 bei einer Integrationszeit
der Allan-Varianz betrug 2-10 bei einer Integrationszeit
-10
von 30 msec und 2-10 bei einer Integrationszeit von 10sec.
von 30 msec und 2-10 bei einer Integrationszeit von 10sec.
Als Transmissionsfilter wurde ein Fabry-Perot-Interferenz-
- filter verwendet. Da ein solches üblicher Bauart sehr viel
Raum beansprucht, kann eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus Platzgründen in manchen
Fällen nicht verwendet werden. Das Fabry-Perot-Interferometer
kann dann durch geeignete andere Filter ersetzt werden, beispielsweise durch ein integriert optisches
Fabry-Perot-Interferometer oder Filter auf der Basis
von seltenen Erden oder Filter mit opto-gaIvanischem Effekt
- 19 -
G.Domann-O.A.Strobel 4-1
Die gleichen Vorteile wie vorbeschrieben können auch dann
erhalten werden, wenn anstelle einer Modulation des Laserstroms ein steuerbares Absorptions- oder Transmissionsfilter
verwendet wird. Solche Filter sind an sich bekannt. So kann z.B. ein Fabry-Perot-Interferometer durch Piezoelemente
gesteuert werden. Auch sind Filter bekannt, deren Lichtdurchlässigkeit sich in Abhängigkeit von einer an
zwei oder mehreren Elektroden angelegten elektrischen Spannung ändern. In diesen Fällen wird nur der Teil-Laserstrahl
5'1 moduliert. Dies hat den Vorteil, daß der Laser 1 selbst
durch die Modulation nicht beeinflußt wird.
Die Darlegungen veranschaulichten auch, daß eine ausreichend
genaue We ILenlängenkonstanz erhalten wird, selbst wenn die Temperatur nur innerhalb von 1 K stabilisiert wird. Es
ist lediglich darauf zu achten, daß die Temperaturkonstanz so gewählt wird, daß kein Modensprung auftritt.
Die Erfindung findet Anwendung vor allem in Fasersensoren, beispielsweise bei einem Faserkreisel oder in optischen
Übertragungssystemen, beispielsweise Wellenlängenmultiplexsystemen
oder kohärenten übertragungsverfahren.
Nachfolgend ist eine We I len t ängenstabi I i si e rung mit einem
steuerbaren Wellenlängenselektionsfilter unter Verwendung
eines in den Fig. 11 und 12 dargestellten integriert-optischen Fabry-Perot-Interferometer beschrieben. Dieses be-
steht aus einem Substratp lättchen 20 aus Lithiumniobat,
dessen Stirnflächen 21, 22 planparallel geschliffen und poliert sind. Durch Eindiffusion von Titandioxid ist ein
als optischer Resonator wirkender Streifen 23 gebildet.
Zu beiden Seiten desselben und parallel zu diesem sind
zwei Elektroden 24, 25 vorgesehen, durch die bei Anlegen
- 20 -
G.Domann-0.A.St robe I 4-1
einer Steuerspannung an diese die Resonatorfrequenz infolge
Änderung des Brechungsindex veränderbar ist. Ein
derartiges Gebilde ist an sich als Phasenmodulator bekannt.
Erfindungsgemäß wird es hier als ein steuerbares
Fabry-Perot-Interferometer verwendet. Durch zusätzliches
[:Aufbringen von dielektrischen Schichten auf den Stirnflächen
21 und 22 kann der Reflektionsgrad erhöht und die Güte
des Resonators verbessert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß zur Erzielung der gewünschten erfindungsgemäßen
Wirkung die Güte ohne dielektrische Schichten bereits
ausreicht. So erhält man ein relativ kostengünstiges,
sehr kleines Fabry-Perot-Interferometer, so daß es möglich
ist. auch sehr kleine, hochstabilisierte Lasermodule herzustellen,
die den praktischen Einsatz in Fase rübertragungs-
und Sensorsystemen ermöglichen. Dieser Phasenmodulator
wirkt wie ein Transmissionsfilter als Funktion der Laserwellenlänge.
Es tritt hierbei jedoch eine periodische TransmissionswiederhohIung mit fortlaufender Wellenlänge
auf. Da der verwendete Phasenmodulator nicht mit dielektrischen
Schichten versehen war, ist die Güte desselben nicht so groß wie bei dem eingangs beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer..
Man erhält eine Filterkurve mit einem relativ hohen Gleichanteil. Dieser Kurvenverlauf ist durch
die folgende mathematische Beziehung beschreibbar:
25. ΊΓ CK) - ΐ«, (1+ /TT^m'5"7 (TT~'nUNhn9) C9>
r : La se rmi 11 enwe I len I änge
: Resonator länge
: Leistungsreflexionskoeff. des PM
* : maximale Transmission des PM
- 21 -
G.Domann-O.A.Strobel 4-1
Unter der Annahme einer FresneLrefLexion von 0,14 und
einer We L Lenlei terdämpfung von 0,5 dB/cm erhält man beispielsweise
eine in Fig. 12 dargestellte Transmissionskurvedie
mit der gemessenen relativ gut übereinstimmt. Durch
Anlegen der vorgenannten sinusförmigen Modulationsspannung
' UM j an die Elektroden 24 und 25 erhält man eine periodi-Mod
sehe Veränderung der Filtermittenwellenlänge
\ : Gleichanteil der Filterwellenlänge
aA : Amplitude der Wellenlänge
A
A
Das in Fig. 14 angezeigte Schema einer Stabilisierungseinheit gleicht im Aufbau dem in Fig. 3 gezeigten und
auch die Wirkungsweise ist im Prinzip die gleiche. Lediglich
anstelle eines üblichen Fabry-Perot-Interferometers
ist das integriert-optische Fabry-Perot-Interferometer 13'
getreten. Eine Leistungsrege leung über die Pe ItiereLemente
2 und 3 mit Hilfe eines Gleichanteils oder der zweiten
Harmonischen oder einer höheren geradzahligen Harmonischen
ist experimentell nicht durchgeführt worden, aber genauso
möglich wie bei dem vorbeschriebenen AusführungsbeispieI.
Die Fig. 15a bis c zeigen den Verlauf des vom Detektor 14 detektierten und ausgegebenen Signals D. Dabei ist in Fig.
15a die Laser-LichtweIlenmittenfrequenz kleiner als diejenige
des Phasenmodulators 20 bzw. des steuerbaren Fabry-Perot-Interferometers
13', in Fig. 15b ist sie größer und in Fig. 15c sind beide genau gleich. Wie ersichtlich, ist
im Fall 15a das Signal D in Bezug auf die Modulationsspannung UHod des Modulators 17 positiv und die Regeleinheit
19 gibt eine negative Stellgröße aus, im Falle der
- 22 -
G.Domann-O.A.Strobel 4-1
Fig. 15b ist das Signal D negativ, so daß die Regeleinheit
19 eine positive Stellgröße ausgibt und im Fall 15c verschwindet der Anteil der Grundfrequenz der Modulationsspannung LL· . ganz; dafür tritt nun das Signal D mit
insbesondere der doppelten Modulationsfrequenz besonders
deutlich hervor, da di-e Krümmung der Filterkurve im Maximum mit am Größen ist und daher die Harmonischen und
insbesondere die 2. Harrnoni sehe größere Werte erreichen.
Dieser A'nteil mit der doppelten Modulationsfrequenz wird
jedoch vom Phasendetektor 16 und von der Regeleinheit 19 nicht als Steuersignal erkannt oder ausgefiltert und daher
in diesem Fall keine Stellgröße ausgegeben. Die detektierte 2. Harmonise he könnte jedoch ebenso wie anhand der Fig. 3
beschrieben, zur Leistungsregelung verwendet werden.
In Fig. 16 ist die mit den als integriert-optischen Fabry-Perot-Interferometer
dienenden Phaseηmodulators erreichte
Stabilisierung der Laserwe LLen länge dargestellt. Dabei zeigen
die Bereiche B1 und B3 den stabilisierten und der Bereich
B2 den unstabiLi sierten Zustand. Nach Einschaltung der
Stabilisierung konnte also sofort wieder die gewünschte
Laserwe
werden.
werden.
-9 Laserwellenlänge mit einer Konstanz bis zu 10 erreicht
Das für die We IlenLänge rege lung verwendete erfindungsgemäße
Detektionsverfahren kann auch zur Messung der Halbwellenspannung
und/oder der We LLenLeiterdämpfung von integriertoptischen
Phasenmodulatoren verwendet werden. Zu diesem Zweck wird der zu messende Phasenmodulator z.B. anstelle
des Interferometers 13 bzw. 13 eingesetzt und an dieses
eine geeignete veränderbare Spannung angelegt. So kann in einfacher Weise diejenige Spannung ermittelt werden, die
notwendig ist, um eine Phasenverschiebung um JT zu erhalten.
- 23 -
G.Domann-Q.A.Strobel 4-1
ALs Meß- und ggf. Steuergrößen werden wieder die in Fig. 4 und 5 dargeste I Ltn Kennlinien erhalten.
Bei der Messung der Wellenleiterdämpfung geht man davon
aus, daß man das Reflexionsverhalten des Phasenmodulators
durch die Fresnel-Reflexion kennt. Eine Veränderung der
in Fig. 2a bzw. Fig. 13 gezeigten Filterkurve ist dann
nur noch ein Maß der Dämpfung des Phasenmodulators. Je
steiler die Flanken sind und je niedriger der Gleichanteil ist, desto geringer ist die Dämpfung.
Für die Zeit dieser Messung kann die Laserwellenlänge als
konstant angesehen werden, zumal die zu messenden Größen in der Regel r
werden müssen,
werden müssen,
-9 in der Regel nicht mit einer Genauigkeit von 10 gemessen
Es kann jedoch zusätzlich die Laser I ichtwe I len länge gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren stabilisiert werden. Hierbei
ist dann der zu messende integriert-optische-Phasenmodulator
zusätzlich zu dem Fabry-Perot-Interferometer 13 oder einem als solches verwendeten integriert-optischen
Phasenmodulator 13' vorgesehen. In diesem Fall ist das
zur Regelung der Laserwellenlänge vorgesehene Fabry-Perot-Interferometer
im rückwärtigen Strahl 5 bzw 51' vorgesehen und der zu messende integriert-optische Phasenmodulator
in einen durch einen Strahlenteiler vor dem Fabry-Perot-Interferometer
abgezweigten Teilstrahl oder im vorn austretenden Strahl 4 angeordnet.
- 24 -
Claims (1)
- STANDARD ELEKTRIK LORENZ
AKTIENGESELLSCHAFT
StuttgartG.Domann-0.A.St robe L 4-1PatentansprücheVerfahren zur WellenLängen- und Leistungsstabilisierung bzw. -regelung einer HaLb Leiter LichtqueLIe, insbesondere eines Lasers, dessen Wellenlänge und Leistung vom Injektionsstrom und der Temperatur des HaLbLeiters abhängen, dadurch gekennzeichnet,- daß der Injektionsstrom (I) durch eine Modulationsspannung (UM ,) moduliert wird und das modulierte Licht dieModGrundwelle (sin CJ t) und höhere Ha rmoni se hs de r Modulationsfrequenz enthält,- daß ein Teil des emittierten Lichtes (5) der LichtqueLle (1) durch ein We I lenLängenselektionsfiLter (13) geleitet wird, dessen maximaLe Absorption bzw. maximale Transmission im Bereich der Mittenwellenlänge (Λ ) der Lichtquelle (1) liegt,- daß aus der eventuellen vorhandenen Verschiebung der Mittenwellenlänge (-^c) der Lichtquelle (1) von der MittenwelLenlänge des Filters (^γ) optoelektronisch ein Meßsignal abgeleitet wird, das die Grundwelle (sincot) und höhere Harmonische der Modulationsspannung (U ,) enthä Lt,ZT/P21-Hs/rl06.06.1984 - 2 -G. Domann-0.A.Strobet 4-1- daß die Grundwelle (sin cJ t) oder ungeradzahlige Harmonische des Meßsignats mit der Grundwelle (sin cJ t) bzw. der entsprechenden ungeradzahLigen Harmonischen der ModuLations spannung (U„ ,) zu einer ersten Stellgröße verarbeitet wird, die in einem ersten Komparator (19) mit einer Istspannung, insbesondere einer NulLspannung, verglichen wird und vom ersten Komparator (19) je nach Verschiebung der emittierten Mittenwellenlänge ( Λ ) von derjenigen (^p) des Filters (13) eine positive oder negative Steuerspannung erzeugt und diese der LichtqueLLe (1) zur Regelung des Injektionsstromes (I) derseLben zugeführt wird und damit die MittenweLlenLänge (Λ _) der LichtqueLLe (1) gesteuert bzw. stabilisiert wird,- daß ggf. weiterhin gleichzeitig der Gleichanteil oderdie zweite oder eine höhere geradzahlige Harmonische des Meßsignals mit dem GLeichanteiL des Teils (5; 5'') des emittierten Lichtes der Lichtquelle (1) bzw. der zweiten oder der höheren geradzahligen Harmonischen der Modulationsspannung (U.. ,) zu einer zweiten Stellgröße verarbeitet wird und diese Stellgröße oder ein Gleichanteil eines vor dem Filter (13) abgeleiteten Meßsignals in einem zweiten Komparator (18) mit einer entsprechenden Referenzspannung vergLichen wird und vom zweiten Komparator (18) eine positive oder negative Steuerspannung erzeugt und diese der Lichtquelle zur Regelung der Temperatur derseLben zugeführt wird und damit die Leistung (P) dieser Lichtquelle (1) geregelt bzw. stabilisiert wird.2. Verfahren zur WeLlenlängen- und Leistungsstabilisierung bzw. -regelung einer HaLb LeiterLichtqueL Ie, insbesondere eines Lasers, dessen Wellenlänge und Leistung vom Injektionsstrom und der Temperatur des HalbLeiters abhängen, dadurch gekennzeichnet,6.0 oma nn-0. A. St rob el <·4-1- daß ein Teil (5; 511) des von der Lichtquelle (1) emittierten Lichts durch ein LichtweLLenLängenseLektionsfilter C13) geleitet wird, dessen HittenweLlenLänge (Aj.) der maximalen Absorption bzw. maximalen Transmis-sion im Bereich der Mi ttenwe L lenlänge ( ^<Λ) der Lichtquelle CD liegt und dieser Teil (5; 511) durch einen Modulator (13) in der Phase und/oder Frequenz moduliert wird,- daß aus der Verschiebung der Mittenwellenlänge CA^)des Filters (13) gegenüber derjenigen MittenweIlenlänge ( /*c) der Lichtquelle CD optoelektronisch ein Meßsignal abgeleitet WiTd7 das die GrundwelLe CsinoJt) und höhere Harmonische der Modulationsspannung CU„ .) enthält,- daß die Grundwelle (sin 60 t) oder ungeradzahlige Harmo- nische des Meßsignals mit der Grundwelle (sinij t) bzw. der entsprechenden ungeradzahligen Harmonischen der Modulationsspannung (Ug..) zu einer ersten Stellgröße verarbeitet wird, die in einem ersten Komparator (19) mit einer Istspannung, insbesondere einer Nullspannung, verglichen wird und vom ersten Komparator (19) je nach Verschiebung der emittierten Mittenwellenlänge (X c) von derjenigen (^.L) des Filters (13) eine positive oder negative Steuerspannung erzeugt und diese der Lichtquelle (1) zur Regelung des Injektionsstromes (I) derselben zu geführt wird und damit die Mittenwellenlänge (λς) der Lichtquelle (D gesteuert bzw. stabilisiert wird,- daß ggf. weiterhin gleichzeitig der Gleichanteil oder die zweite oder eine höhere geradzahlige Harmonische des Meßsignals mit dem Gleichanteil des Teils (5; 5'1) des emittierten Lichtes der Lichtquelle (D bzw. der zweitenG.Domann-O.A.StrobeL "4-1oder der höheren geradzahligen Harmonischen der Piodulat ionsspannung (U.. .) zu einer zweiten Stellgröße verarbeitet wird und diese Stellgröße oder ein Gleichanteil eines vor dem Filter (13) abgeleiteten Meßsignals in einem zweiten Komparator (18) mit einer entsprechenden Referenzspannung verglichen wird und vom zweiten Komparator (18) eine positive oder negative Steuerspannung erzeugt und diese der Lichtquelle zur Regelung der Temperatur derselben zugeführt wird und damit die Leistung (P) dieser Lichtquelle (1) geregelt bzw. stabilisiert wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 öden 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenlängenselektionsfilter ein Fabry-Perot-Interferometer (13) verwendet wird.4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als WeLLenLängenseLektionsfiLter ein SeLtene-Erden-AbsorptionsfiLter bzw. ein steuerbares Se Ltene-Erden-Absorptionsfilter verwendet wird.5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-zeichnet, daß als We LLenLängenseLekt/ionsfiLter ein nach dem optogaLvanischen Effekt arbeitendes Absorptionsfilter bzw. ein steuerbares AbsorptionsfiLter verwendet wird.6. Verfahren nach einem der Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rückwärtig austretende StrahL (5) eines modulierten Lasers (1) zur Messung und Stabilisierung verwendet wird.7. Verfahren nach einem der Ansprüc+ie 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rückwärtig austretende StrahL (511)— 5 —G.Domann-O.A.Strobel 4-1eines Lasers (1) moduliert wird und zur Messung und Stabilisierung verwendet wird.8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil C51) des rückwärtigen Strahls(5) eines Lasers (1) vor dem Eingang in das Wellenselektionsfilter C13) ausgeblendet und einer Anzeigeeinheit (12) zugeleitet wird, die zumindest zur erstmaligen Einjustierung der Mittenwellenlänge ( λ.) des Lasers (1), insbesondere bei abgeschalteter Stabilisierung, verwendet wi rd.9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung und Stabilisierung der Mittenwellenlänge C Λc) der Lichtquelle (1) eine Regeleinheit (19) verwendet wird, deren Zeitkonstante kleiner ist als diejenige der Regeleinheit (18) zur Regelung und Stabilisierung der Leistung (P) der Lichtquelle (1).10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung und Stabilisierung der Temperatur der Lichtquelle (1) Pe Itier-Elemente (2, 3) verwendet werden.11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Messung und Regelung dienende Lichtstrahl (5) dem Wellenlängenselektionsfilter (13) über ein Polarisationsfilter (7) und eine Viertelwellenlängenplatte (8) zugeführt wird.12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche1 bis 11, zur Messung der HaIbwe I lenspannung und/oder der Wellenleiterdämpfung eines integriert-optischen Phasenmodulators, indem der zu messende integriert -optische Phasenmodulator anstelle oder zusätzlich zu dem ggf. steuerbaren Fabry-Perot-Interferometer (13) bzw. dem alsG.Domann-0.A.St robe L 4-1solches eingesetzten integriert-optischen Phasenmodulator (131) in den Strahlengang (5; 511) eingesetzt und eine veränderbare Spannung an dessen Elektroden angelegt wird, wobei bei zusätzlicher Laserwe IlenLängenrege I ung durch das Fabry-Perot-Interferometer (13) bzw. den als Fabry-Perot-Interferometer verwendeten PhasenmoduLator (131) der zu messende Phasenmodulator in einem parallelen Teilstrahl oder im nach vorn austretenden Strahl (4)angeordnet und von diesem durchstrahlt wird.COPY
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Owner name: ALCATEL SEL AKTIENGESELLSCHAFT, 7000 STUTTGART, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SFIM INDUSTRIES DEUTSCHLAND GMBH, 71711 MURR, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |