DE3421851C2 - Verfahren zur Wellenlängen- und Leistungsregelung der Ausgangsstrahlung einer Halbleiterstrahlungsquelle - Google Patents
Verfahren zur Wellenlängen- und Leistungsregelung der Ausgangsstrahlung einer HalbleiterstrahlungsquelleInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Wellenlängen- und Leistungsregelung einer Ausgangsstrahlung
einer Halbleiterstrahlungsquelle gemäß dem Oberbegriff der
Ansprüche 1 und 2.
Die spektrale Kontrolle longitudinaler Moden in
Sendeelementen, wie Halbleiterlasern oder anderen
Halbleiterlichtquellen, spielt in zunehmendem Maße eine
größere Rolle in der Fasersensortechnik und bei optischen Übertragungssystem mit hohen Datenraten. Dazu ist es erforderlich, die Wellenlänge dieser Sendeelemente genau zu messen und entsprechend den jeweiligen Anforderungen zu stabilisieren.
größere Rolle in der Fasersensortechnik und bei optischen Übertragungssystem mit hohen Datenraten. Dazu ist es erforderlich, 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 10-2 Kelvin. Hierbei werden
Wellenlängenkonstanzen erreicht, die für die teilweisen hohen
Anforderungen bei den vorgenannten Techniken und Systemen
nicht ausreichen.
Aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-19, No. 10,
October 1983, Seiten 1514 bis 1519 ist ein Verfahren zur
Wellenlängen- und Leistungssteuerung oder -regelung einer
Halbleiterstrahlungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
bekannt, bei dem aus dem emittierten
Strahl jeweils für die Wellenlängensteuerung oder -regelung und
für die Leistungssteuerung oder -regelung ein Teil
abgezweigt wird. Aus den abgezweigten Teilen wird letzlich jeweils
über einen eigenen Detektor ein Meßsignal gewonnen.
Aus der Patentschrift US 42 62 994 ist ein optischer Wellenleiter
bekannt, bei dem durch Anlegen eines elektrischen Feldes die
Wellenleitereigenschaften derart geändert werden können, daß sich
der optische Wellenleiter mit einer jeweils dafür geeigneten
Konfiguration z. B. als optischer Schalter oder auch Modulator
verwendet werden kann.
Aus Applied Physics Letters, Vol. 27, No. 10, 15. November 1975,
Seiten 544 bis 546 ist ein optischer monolithischer aufgebauter
Amplitudenmodulator bekannt, der aus einem elektrooptischen
Phasenmodulator und einem optischen Interferometer vom
Mach-Zehnder Typ besteht.
Aus der Zeitschrift "Elektronik" 19/23.9.1983, Seite 30, ist eine
C³-Laserdiode bekannt, deren Spektrallinie des
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 00 93 942 A1 ist es weiterhin bekannt, eine
Laserdiode durch ein elektrisch betriebenes Kühlaggregat zu
kühlen, da die Temperaturkonstanz von wesentlichem Einfluß
auf die Wellenlängenkonstanz ist.
Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst
werden, die Wellenlänge und die Leistung eines Lichtstrahls
mit hoher Genauigkeit auf technisch einfache Weise konstant
zu halten.
Weiterhin soll die Aufgabe gelöst werden, die den Lichtstrahl
aussendende Lichtquelle mittels der gewonnenen Messung der
Wellenlänge und der Leistung zu regeln und/oder zu steuern.
Gelöst werden diese Aufgaben durch die Lehre der Ansprüche 1
und 2.
Außerdem ermöglichen die Verfahren gleichzeitig eine
Leistungsstabilisierung, ohne daß die Wellenlängenkonstanz
beeinträchtigt wird.
Außerdem kann der Raumbedarf für die notwendigen Hilfsmittel
ggf. um ein Vielfaches kleiner sein als bei bisherigen
Verfahren. Es bietet sich somit die Möglichkeit des prak
tischen 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 Schaltschemas
und anhand von Diagrammen für einen Halbleiterlaser beschrie
ben. Dabei zeigen:
Fig. 1 den Zusammenhang zwischen den Eingangs- und Aus
gangsgrößen einer Halbleiterstrahlungsquelle,
Fig. 2a den Kurvenverlauf eines Transmissionsfilters als
Funktion der Wellenlänge,
Fig. 2b den Kurvenverlauf eines Absorptionsfilters als Funk
tion 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 Modulationsfre
quenz 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 Injektions
stromes und der Temperatur über einen Zeitabschnitt
von ca. 20 Minuten,
Fig. 8 ein Diagramm der Quadratwurzel aus der Allan-Varianz
σ (2, T) in stabilisiertem und nicht stabilisier
tem Zustand,
Fig. 9 die Lasermittenwellenlänge bei verschiedenen Stabi
lisierungsarten und
Fig. 10 die Änderungen der Leistung des Lasers bei abge
schalteter Leistungsstabilisierung,
Fig. 11 einen als integriert-optisches-Fabry-Perot-Inter
ferometer verwendbaren Phasenmodulator in der
Draufsicht,
Fig. 12 dasselbe von der Seite,
Fig. 13 die Filterkurve des integriert-optischen-Fabry-
Perot-Interferometer,
Fig. 14 den schematischen Aufbau einer Stabilisierungs
einheit mit einem integriert-optischen-Fabry-
Perot-Interferometer,
Fig. 15a bis c den Verlauf der detektierten Signale bei ver
schiedenen Betriebszuständen des Lasers und die
Fig. 16 die Laserwellenlänge im stabilisierten und unstabi
lisierten Zustand.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durchführbar mit
Halbleiterstrahlungsquellen, wie: Monomodelasern, Multi
modelasern und Superlumineszenzdioden. Die genannten
Halbleiterstrahlungsquellen besitzen gemeinsam die gleichen charakte
ristischen Eingangs- und Ausgangsgrößen, zwischen denen
die nachfolgend beschriebenen, in Fig. 1 dargestellten
Zusammenhänge bestehen.
Durch Änderung des Eingangsstromes 1 wird sowohl die Lei
stung P als auch die Wellenlänge λL des Halbleiterlasers
verändert, und zwar in gleichem Sinn, d. h. bei Erhöhung
des Eingangsstromes I wird die Wellenlänge λL zu höheren
Werten hin verschoben und gleichzeitig die Leistung P er
höht. Außerdem wird durch Änderung des Eingangsstromes I
die Temperatur des Halbleiters proportional geändert. Die
Temperaturänderung des Halbleiters bewirkt wiederum eine Änderung
der Ausgangsleistung und der Wellenlänge des Halbleiterlasers.
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:
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 modu
liert und aus der Modulationsfrequenz mit Hilfe eines Wel
lenlängenselektionsfilters entsprechende Meßgrößen und
Steuergrößen erzeugt.
Der modulierte Injektionsstrom des Lasers und die dadurch
erzeugte Laserlichtwellenlänge und Laserausgangsleistung
ist durch folgende mathematische Beziehung beschreibbar:
Die Filterkurven der verwendeten Wellenlängenselektions
filter können als trigonometrische Funktionen beschrieben
werden. Wie der Fig. 2a zu entnehmen ist, kann bei einem
Transmissionsfilter die Filterkurve im Bereich der mitt
leren Wellenlänge des Filters λc F bei einem Transmissions
filter als cos-Funktion betrachtet werden, wobei die
Transmission bei Modulation folgender Formel genügt:
Entsprechend kann bei einem Absorptionsfilter, dessen
Filterkurve in Fig. 2b dargestellt ist, die Filterkurven
funktion ebenfalls als cos-Funktion, jedoch mit negati
vem Vorzeichen, angesehen werden. Für ein Transmissionsfil
ter ergeben sich dann Nullstellen, wenn die Laserwellen
länge kleiner ist als die Mittenwellenlänge des Filters
minus der Filterbandbreite oder wenn die Laserwellenlän
ge 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 vor
zugsweise als Laser 1 ausgebildeten Halbleiterlichtquelle,
beim Ausführungsbeispiel ein GaAlAs-Halbleiter-Laser, ist
beidseitig zur Temperaturregelung je ein Peltier-Element 2
und 3 zugeordnet. Letztere sind im Bereich des nach vorn
austretenden Laserstrahls 4 bzw. des rückwärts austreten
den Laserstrahl 5 mit einem entsprechenden, beispielsweise
durch einen Nd : YAG-Laserstrahl erzeugten Bohrung versehen.
Der Laser 1 ist mit einem regelbaren Eingangsstrom I₀ auf
die gewünschte Leistung und Wellenlänge einstellbar. Über
die Peltier-Elemente 2, 3 wird die Temperatur des Lasers
auf einen erforderlichen Wert eingestellt und mit einer
Genauigkeit von beispielsweise 10-3 bis 1 Kelvin konstant
gehalten.
Der rückwärtige Laserstrahl 5 durchläuft eine Fokussier
optik 6, ein Polarisationsfilter 7 und eine Viertelwellen
längenplatte 8, die Rückreflexionen in den Laser 1 ver
hindern. Durch einen nachfolgenden Strahlteiler 9 kann ein
Teil 5′ des rückwärtigen Laserstrahls 5 ausgeblendet
werden. Dieser Teilstrahl 5′ wird über einen Gitter-
Monochromator 10, einem optoelektrischen Wandler 11,
z. B. eine Lichtempfindliche Diodenzeile, die die opti
schen in elektrische Signale umwandelt, zugeführt. Letzte
re sind an einer Anzeige 12 sichtbar. Durch diese Anord
nung, die an sich für die Funktion der Erfindung nicht
notwendig ist, kann der Laser 1 bei Inbetriebnahme erst
mals ohne Regelung und Stabilisierung auf die Sollwellen
länge, also bei einem Monomode-Laser auf die Mittenwel
lenlänge λc L und bei einem Multimode-Laser oder einer Su
perlumineszenzdiode auf diese oder auf eine der Neben
moden eingestellt werden.
Der Strahl 5′′ durchläuft ein Fabry-Perot-Interferome
ter 13, dem ein Detektor 14 nachgeschaltet ist. Der Aus
gang 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
UMod dem Laser 1 zur Modulation des Laserstrahls 4, 5 und als
Referenzspannung den beiden phasenempfindlichen Verstärkern
15 und 16 zugeleitet. Der Ausgang des ersten Verstär
kers 15 ist mit einer Regeleinheit 18 und diejenige des
zweiten phasenempfindlichen Verstärkers 16 ist mit einer
Regeleinheit 19 verbunden, die je einen Komparator ent
halten. Die Regeleinheit 18 regelt die Peltier-Elemente 2
und 3 und die Regeleinheit 19 den Injektionsstrom I des
Lasers 1.
Der Verfahrensablauf und die Wirkungsweise der Einzelaggre
gate ist wie folgt:
Nach Inbetriebnahme und Einstellung der Laserwellenlänge wie oben dargelegt, wird durch die vom NF-Generator 17 erzeugte Modulationsspannung UMod = U₀sinωt mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz der Eingangsstrom I₀ mo duliert. Damit ändert sich die Mittenwellenlänge λc L und die Laserleistung P entsprechend den Beziehungen (4) und (5).
Nach Inbetriebnahme und Einstellung der Laserwellenlänge wie oben dargelegt, wird durch die vom NF-Generator 17 erzeugte Modulationsspannung UMod = U₀sinωt mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz der Eingangsstrom I₀ mo duliert. Damit ändert sich die Mittenwellenlänge λc L und die Laserleistung 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 5′′ auch dessen Harmoni
sche 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 UMod mit
der Frequenz
dargestellt in Fig. 4,
und der doppelten Frequenz oder zweiten Harmonischen,
und der doppelten Frequenz oder zweiten Harmonischen,
dargestellt in Fig. 5, wobei Iν die Bessel-Funktion ν-ter
Ordnung erster Art bedeutet. Im Bereich
können die Filterkurven als sin- (Fig. 4) bzw. cos-Funk
tion (Fig. 5) betrachtet werden.
Wie aus der Gleichung (7) und Fig. 4 ersichtlich, ist die
Phasenlage von Uω(λ) im Bereich der Mittenwellenlänge
λc L des Lasers 1 sehr stark abhängig von der augenblicklichen
Wellenlänge λL des Lasers 1, so daß dieser Term
gut für die Nachregelung und Stabilisierung der Laser-
:azMittenwellenlänge λc L geeignet ist. Dies geschieht dadurch,
daß über den Verstärker 16 und die einen Komparator
enthaltende Regeleinheit 19 Uω(λ) mit der Grundwelle
der Modulationsspannung UMod verglichen wird und über das
erhaltene positive oder negative Signal der Eingangsstrom
I₀ des Lasers 1 nachgeregelt wird. Dadurch wird die Laser
wellenlänge λL zur Mittenwellenlänge λc L hin verschoben
und damit stabilisiert.
Aus der Gleichung (8) und der Fig. 5 ist ersichtlich, daß
die doppelte Modulationsfrequenz U₂ω(λ) bei kleinen Ab
weichungen der Laserfrequenz λL von der Filter-Mittenwellenlänge
λc F praktisch unabhängig von der Laserwellen
länge λL 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 Modulationsfre
quenz 2ω dem Verstärker 15 eingegeben, der unter Pha
senvergleich mit dem entsprechenden Anteil der Modulations
spannung UModsin2ωt über die Regeleinheit 18 die Leistung
des Lasers 1 durch Regelung der Temperatur desselben über
die Peltier-Elemente 2 und 3 regelt und stabilisiert.
In Fig. 6 ist die Laser-Mittenwellenlänge über einen Zeit
raum von 4 Minuten dargestellt. An der ersten Sprung
stelle wurde eine Eichung zwecks Bestimmung der Meßgrößen
vorgenommen. Die Temperatur wurde auf 1 mK genau geregelt.
Wie ersichtlich, wird bei Regelung der Wellenlänge λc L
eine Genauigkeit von etwa 10-9 (RMS) erreicht (Wellenlänge
des verwendeten GaAlAs-Lasers ≈ 830 nm).
Die Fig. 7 zeigt die Wellenlänge λc L bei eingeschalteter
Wellenlängenregelung und die Leistungsabweichung, also
die Leistungsstabilität, sowie die dabei erforderliche Än
derung des Gesamtstroms des Lasers (also Injektionsstrom
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 Rückreflexion des rück
wärtigen Strahls 5 zum Laser 1, auftreten.
Die in Fig. 8 dargestellte Quadratwurzel aus der Allan-Varianz σ (2, T), zeigt deutlich,
daß in stabilisiertem Zustand über die Integrationszeit
das Rauschen geringer, also die Variation der Laser-
Mittenwellenlänge kleiner wird und im ungeregelten Zu
stand, trotz einer Temperaturkonstanz von ± 1 mK, das Rau
schen größer wird.
Es sind auch Anwendungsfälle möglich, in denen eine Wellen
längenstabilisierung ausreicht und nur geringe Anforderun
gen an die Leistungsstabilität gestellt werden. Unter die
sem Gesichtspunkt wurde experimentell der Einfluß der Wel
lenlängenstabilisierung unter verschiedenen Bedingungen
durchgeführt und im Diagramm der Fig. 9 festgehalten. Im
Bereich B1 wurde die Laser-Wellenlänge stabilisiert und
die Temperatur des Lasers 1 auf 1 mK konstant gehalten. Die
steile Anfangsflanke zeigt wiederum die Eichung der Mes
sung. Im Bereich B2 wurde die λL-Stabilisierung ausge
schaltet. Als Folge davon erhält man eine starke Änderung
der Laser-Wellenlänge. Im Bereich B3 wurde die λL-Stabili
sierung ein- und die Temperaturstabilisierung ausgeschal
tet. Wie ersichtlich, wurde sofort wieder eine gute Wel
lenlängenstabilisierung erreicht.
In der Fig. 10 ist schließlich dargestellt, daß auch bei
ausgeschalteter Leistungsstabilisierung die Leistungsän
derung über der Zeit unter 1% liegt. Dies liegt darin
begründet, daß beide Eingangsparameter des Lasers 1
Wellenlänge und Leistung in gleicher Richtung verschie
den, d. h. eine Erhöhung des Injektionsstroms bewirkt eine
Erhöhung der Wellenlänge und der Leistung. Eine Erhöhung
der Temperatur bewirkt sowohl eine Erniedrigung der Wel
lenlänge 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 Regelzeitkonstante
der Wellenlängenstabilisierung kleiner gewählt als die
jenige der Leistungstabilisierung. Im Ausführungsbeispiel
betrug die Regelzeitkonstante für die Wellenlängenstabi
lisierung 40 msec und diejenige für die Leistungsstabili
sierung betrug 4 sec.
Wie beschrieben und dargestellt, kann mit einfachen Mitteln
gleichzeitig eine Wellenlängen- und Leistungsstabilisie
rung erreicht werden. Dabei erhielt man eine Leistungs
stabilisierung besser als 10-3 und die Quadratwurzel aus
der Allan-Varianz betrug 2·10-9 bei einer Integrationszeit
von 30 msec und 2·10-10 bei einer Integrationszeit von
10 sec.
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 man
chen Fällen nicht verwendet werden. Das Fabry-Perot-
Interferometer kann dann durch geeignete andere Filter
ersetzt werden, beispielsweise durch ein integriert opti
sches Fabry-Perot-Interferometer oder Filter auf der Basis
von seltenen Erden oder Filter mit opto-galvanischem Effekt.
Die gleichen Vorteile wie vorbeschrieben können auch dann
erhalten werden, wenn anstelle einer Modulation des La
serstroms ein steuerbares Absorptions- oder Transmissions
filter verwendet wird. Solche Filter sind an sich bekannt.
So kann z. B. ein Fabry-Perot-Interferometer durch Piezo
elemente gesteuert werden. Auch sind Filter bekannt, deren
Lichtdurchlässigkeit sich in Abhängigkeit von einer an
zwei oder mehreren Elektroden angelegten elektrischen Span
nung ändern. In diesen Fällen wird nur der Teil-Laserstrahl
5′′ moduliert. Dies hat den Vorteil, daß der Laser 1 selbst
durch die Modulation nicht beeinflußt wird.
Die Darlegungen veranschaulichten auch, daß eine ausreichend
genaue Wellenlängenkonstanz 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 Wellenlängenmulti
plexsystemen oder kohärenten Übertragungsverfahren.
Nachfolgend ist eine Wellenlängenstabilisierung mit einem
steuerbaren Wellenlängenselektionsfilter unter Verwendung
eines in den Fig. 11 und 12 dargestellten integriert-opti
schen Fabry-Perot-Interferometer beschrieben. Dieses be
steht aus einem Substratplättchen 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
einer Steuerspannung an diese die Resonatorfrequenz in
folge Änderung des Brechungsindex veränderbar ist. Ein
derartiges Gebilde ist an sich als Phasenmodulator be
kannt. Erfindungsgemäß wird es hier als ein steuerbares
Fabry-Perot-Interferometer verwendet. Durch zusätzliches
Aufbringen von dielektrischen Schichten auf den Stirnflä
chen 21 und 22 kann der Reflexionsgrad erhöht und die Güte
des Resonators verbessert werden. Es hat sich jedoch ge
zeigt, 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 her
zustellen, die den praktischen Einsatz in Faserübertragungs- und
Sensorsystemen ermöglichen. Dieser Phasenmodulator
wirkt wie ein Transmissionsfilter als Funktion der Laser
wellenlänge. Es tritt hierbei jedoch eine periodische
Transmissionswiederhohlung mit fortlaufender Wellenlänge
auf. Da der verwendete Phasenmodulator nicht mit dielek
trischen 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:
Unter der Annahme einer Fresnelreflexion von 0,14 und
einer Wellenleiterdämpfung von 0,5 dB/cm erhält man bei
spielsweise eine in Fig. 12 dargestellte Transmissionskurve,
die mit der gemessenen relativ gut übereinstimmt. Durch
Anlegen der vorgenannten sinusförmigen Modulationsspannung
UMod an die Elektroden 24 und 25 erhält man eine periodi
sche Veränderung der Filtermittenwellenlänge
Das in Fig. 14 angezeigte Schema einer Stabilisierungs
einheit gleicht im Aufbau dem in Fig. 3 gezeigten und
auch die Wirkungsweise ist im Prinzip die gleiche. Ledig
lich anstelle eines üblichen Fabry-Perot-Interferometers
ist das integriert-optische Fabry-Perot-Interferometer 13′
getreten. Eine Leistungsregelung über die Peltierelemen
te 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 Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 15a bis c zeigen den Verlauf des vom Detektor 14
detektierten und ausgegebenen Signals D. Dabei ist in Fig. 15a
die Laser-Lichtwellenmittenfrequenz kleiner als die
jenige 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 Modulations
spannung UMod des Modulators 17 positiv, und die Regelein
heit 19 gibt eine negative Stellgröße aus, im Falle der
Fig. 15b ist das Signal D negativ, so daß die Regeleinheit
19 eine positive Stellgröße ausgibt, und im Fall 15c ver
schwindet der Anteil der Grundfrequenz der Modulations
spannung UMod ganz; dafür tritt nun das Signal D mit
insbesondere der doppelten Modulationsfrequenz besonders
deutlich hervor, da die Krümmung der Filterkurve im
Maximum mit am Größen ist und daher die Harmonischen und
insbesondere die 2. Harmonische größere Werte erreichen.
Dieser Anteil 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. Harmonische 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 Phasenmodulators erreichte
Stabilisierung der Laserwellenlänge dargestellt. Dabei zei
gen die Bereiche B1 und B3 den stabilisierten und der Be
reich B2 den unstabilisierten Zustand. Nach Einschaltung der
Stabilisierung konnte also sofort wieder die gewünschte
Laserwellenlänge mit einer Konstanz bis zu 10-9 erreicht
werden.
Das für die Wellenlängeregelung verwendete erfindungsgemäße
Detektionsverfahren kann auch zur Messung der Halbwellen
spannung und/oder der Wellenleiterdämpfung von integriert-op
tischen 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 π zu erhalten.
Als Meß- und ggf. Steuergrößen werden wieder die in Fig. 4
und 5 dargestellten 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 nicht mit einer Genauigkeit von 10-9 gemessen
werden müssen.
Es kann jedoch zusätzlich die Laserlichtwellenlänge gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren stabilisiert werden. Hier
bei ist dann der zu messende integriert-optische-Phasen
modulator 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. 5′′ vorge
sehen und der zu messende integriert-optische Phasenmodu
lator in einen durch einen Strahlenteiler vor dem Fabry-
Perot-Interferometer abgezweigten Teilstrahl oder im vorn
austretenden Strahl 4 angeordnet.
Claims (12)
1. Verfahren zur Wellenlängen- und Leistungsregelung der
Ausgangsstrahlung einer Halbleiterstrahlungsquelle (1),
die mit einem Injektionsstrom (1) beaufschlagt ist,
- - bei dem der Injektionsstrom (1) moduliert wird und die modulierte Ausgangsstrahlung Strahlungsanteile mit der Modulationsfrequenz und mit höheren Harmonischen der Modulationsfrequenz enthält,
- - bei dem durch die Halbleiterstrahlungsquelle (1) emittierte Strahlung durch ein Wellenlängenselektionsfilter (13) geleitet wird, dessen maximale Absorption oder maximale Transmission im Bereich der Mittenwellenlänge (λc L) der Ausgangsstrahlung der Halbleiterstrahlungsquelle (1) liegt,
- - bei dem ein eine Verschiebung der Mittenwellenlänge (λc L) der Ausgangsstrahlung der Halbleiterstrahlungsquelle (1) von der Mittenwellenlänge (λc F) des Wellenlängenselektionsfilters (13) zeigendes Meßsignal optoelektronisch ermittelt wird, das Anteile mit der Modulationsfrequenz und mit höheren Harmonischen der Modulationsfrequenz enthält,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Anteil des Meßsignals mit der Modulationsfrequenz oder ein Anteil mit einer ungeradzahligen Harmonischen der Modulationsfrequenz zu einer ersten Stellgröße verarbeitet wird, über die die Mittenwellenlänge (λc L) der Halbleiterstrahlungsquelle (1) geregelt wird,
- - und daß weiterhin gleichzeitig der Gleichanteil des Meßsignals oder ein Anteil mit einer geradzahligen Harmonischen der Modulationsfrequenz zu einer zweiten Stellgröße verarbeitet wird, über die die Leistung (P) der Halbleiterstrahlungsquelle (1) geregelt wird.
2. Verfahren zur Wellenlängen- und Leistungsregelung der
Ausgangsstrahlung einer Halbleiterstrahlungsquelle (1),
die mit einem Injektionsstrom (I) beaufschlagt ist,
- - bei dem durch die Halbleiterstrahlungsquelle (1) emittierte Strahlung (5′′) durch ein Wellenlängenselektionsfilter (13′) geleitet wird, dessen Mittenwellenlänge (λc F) der maximalen Absorption oder der maximalen Transmission im Bereich der Mittenwellenlänge (λc L) der Strahlung liegt und durch einen Modulator in der Phase und/oder Frequenz moduliert wird,
- - bei dem aus der Verschiebung der Mittenwellenlänge (λc F) des Wellenlängenselektionsfilters (13′) gegenüber der Mittenwellenlänge (λc L) der Strahlung (5′′) optoelektronisch ein Meßsignal ermittelt wird, das Anteile mit der Modulationsfrequenz und Anteile mit höheren Harmonischen der Modulationsfrequenz des Modulators enthält,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Anteil des Meßsignals mit der Modulationsfrequenz oder ein Anteil mit einer ungeradzahligen Harmonischen der Modulationsfrequenz zu einer ersten Stellgröße verarbeitet wird, über die die Mittenwellenlänge (λc L) der Halbleiterstrahlungsquelle (1) geregelt wird,
- - und daß weiterhin gleichzeitig der Gleichanteil des Meßsignals oder ein Anteil mit einer geradzahligen Harmonischen der Modulationsfrequenz zu einer zweiten Stellgröße verarbeitet wird, über die die Leistung (P) der Halbleiterstrahlungsquelle (1) geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Wellenlängenselektionsfilter (13; 13′) ein Fabry-Perot-
Interferometer verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Wellenlängenselektionsfilter (13; 13′) ein
Absorptionsfilter verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Wellenlängenselektionsfilter (13;13′) ein nach dem
optogalvanischen Effekt arbeitendes Absorptionsfilter
verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Halbleiterstrahlungsquelle (1) eine Halbleiterlaserdiode
mit einem rückwärtig austretenden Strahl (5) zur
Regelung verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (5′) des
rückwärtigen Strahls (5) der Halbleiterlaserdiode vor
dem Eingang in das Wellenlängenselektionsfilter (13)
ausgeblendet und einer Anzeigeeinheit (12) zugeleitet
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der
Mittenwellenlänge (λc L) der Ausgangsstrahlung der
Halbleiterstrahlungsquelle (1) eine Regeleinheit (19)
verwendet wird, deren Zeitkonstante kleiner ist als
diejenige der Regeleinheit (18) zur Regelung der
Leistung (P) der Halbleiterstrahlungsquelle (1).
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Temperatur
der Halbleiterstrahlungsquelle (1) Peltier-Elemente (2,
3) verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der zur Messung dienende
Teil der emittierten Strahlung (5) dem
Wellenlängenselektionsfilter (13; 13′) über ein
Polarisationsfilter (7) und eine
Viertelwellenlängenplatte (8) zugeführt wird.
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