DE3421851A1

DE3421851A1 - Verfahren zur wellenlaengen- und ggf. leistungsstabilisierung oder -regelung von halbleiterlichtquellen

Info

Publication number: DE3421851A1
Application number: DE19843421851
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.rer.nat. 7000 Stuttgart Domann; Otto August Dipl.-Phys. 7302 Ostfildern Strobel
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Safran Electronics and Defense Germany GmbH
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1985-12-19
Anticipated expiration: 2004-06-14
Also published as: DE3421851C2; GB2163286A; GB2163286B; GB8514994D0; ES544112A0; ES8703216A1

Description

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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*
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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

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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 Wellenlänge_f

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,

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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.

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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:

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(3) Λ^Ci (4)

^pt * I *^&pa· ^s1nwt " (5)

I : Laser Injektionsstrom
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

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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 I_n 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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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

U_M . 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· , = U_nsin<yt mit einer

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Frequenz von beispielsweise 1 kHz der Eingangsstrom I_Q 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-

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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 I_n 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

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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

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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

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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

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der Allan-Varianz betrug 2-10 bei einer Integrationszeit

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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

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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

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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

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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

' U_M j an die Elektroden 24 und 25 erhält man eine periodi-Mod

sehe Veränderung der Filtermittenwellenlänge

\ : Gleichanteil der Filterwellenlänge aA : Amplitude der Wellenlänge
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 U_Hod des Modulators 17 positiv und die Regeleinheit 19 gibt eine negative Stellgröße aus, im Falle der

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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.

-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.

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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,

-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.

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Claims

STANDARD ELEKTRIK LORENZ
AKTIENGESELLSCHAFT
Stuttgart

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Patentansprüche

Verfahren 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 (U_M ,) moduliert wird und das modulierte Licht die

Mod

Grundwelle (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/rl

06.06.1984 - 2 -

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- 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 oder

die 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 zweiten

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oder 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)

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eines 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 Λ_c) 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 Ansprüche

1 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 als

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solches 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.

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