DE3421851C2

DE3421851C2 - Verfahren zur Wellenlängen- und Leistungsregelung der Ausgangsstrahlung einer Halbleiterstrahlungsquelle

Info

Publication number: DE3421851C2
Application number: DE19843421851
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Rer Nat Domann; Otto August Dipl Phys Strobel
Original assignee: SFIM Industries Deutschland GmbH
Current assignee: Safran Electronics and Defense Germany GmbH
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2004-06-14
Also published as: DE3421851A1; ES544112A0; GB2163286A; GB8514994D0; GB2163286B; ES8703216A1

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.

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 λ^L des Halbleiterlasers verändert, und zwar in gleichem Sinn, d. h. bei Erhöhung des Eingangsstromes I wird die Wellenlänge λ^L 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 λ_c ^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 λ_c ^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 U_Mod 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 U_Mod = U₀sinωt mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz der Eingangsstrom I₀ mo duliert. Damit ändert sich die Mittenwellenlänge λ_c ^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 U_Mod mit der Frequenz

dargestellt in Fig. 4,
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 U_ω(λ) im Bereich der Mittenwellenlänge λ_c ^L des Lasers 1 sehr stark abhängig von der augenblicklichen Wellenlänge λ^L des Lasers 1, so daß dieser Term gut für die Nachregelung und Stabilisierung der Laser- :azMittenwellenlänge λ_c ^L geeignet ist. Dies geschieht dadurch, daß über den Verstärker 16 und die einen Komparator enthaltende Regeleinheit 19 U_ω(λ) mit der Grundwelle der Modulationsspannung U_Mod verglichen wird und über das erhaltene positive oder negative Signal der Eingangsstrom I₀ des Lasers 1 nachgeregelt wird. Dadurch wird die Laser wellenlänge λ^L zur Mittenwellenlänge λ_c ^L hin verschoben und damit stabilisiert.

Aus der Gleichung (8) und der Fig. 5 ist ersichtlich, daß die doppelte Modulationsfrequenz U₂_ω(λ) bei kleinen Ab weichungen der Laserfrequenz λ^L von der Filter-Mittenwellenlänge λ_c ^F praktisch unabhängig von der Laserwellen länge λ^L 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 U_Modsin2ωt 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 λ_c ^L eine Genauigkeit von etwa 10^-9 (RMS) erreicht (Wellenlänge des verwendeten GaAlAs-Lasers ≈ 830 nm).

Die Fig. 7 zeigt die Wellenlänge λ_c ^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 λ^L-Stabilisierung ausge schaltet. Als Folge davon erhält man eine starke Änderung der Laser-Wellenlänge. Im Bereich B3 wurde die λ^L-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 U_Mod 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 U_Mod 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 U_Mod 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

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 (λ_c ^L) der Ausgangsstrahlung der Halbleiterstrahlungsquelle (1) liegt,
- bei dem ein eine Verschiebung der Mittenwellenlänge (λ_c ^L) der Ausgangsstrahlung der Halbleiterstrahlungsquelle (1) von der Mittenwellenlänge (λ_c ^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 (λ_c ^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 (λ_c ^F) der maximalen Absorption oder der maximalen Transmission im Bereich der Mittenwellenlänge (λ_c ^L) der Strahlung liegt und durch einen Modulator in der Phase und/oder Frequenz moduliert wird,
- bei dem aus der Verschiebung der Mittenwellenlänge (λ_c ^F) des Wellenlängenselektionsfilters (13′) gegenüber der Mittenwellenlänge (λ_c ^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,

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 (λ_c ^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.