DE102022109218A1

DE102022109218A1 - Laseranordnung Und Verfahren Zum Betreiben Einer Laseranordnung

Info

Publication number: DE102022109218A1
Application number: DE102022109218.6A
Authority: DE
Inventors: Georg Roßbach; Christoph Schmid; Christian Schoerner
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2023-10-19
Also published as: WO2023198864A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit einer ersten Laseranordnung, die ausgebildet ist, ein Nutzlaserlicht zu emittieren. Eine zweite einstellbare Laservorrichtung ist ausgebildet, wenigstens ein in der Intensität einstellbares Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge zu emittieren. Eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Modulationseingang und mit einem Ausgang ist mit der ersten Laservorrichtung am Signaleingang und mit der zweiten Laservorrichtung am Modulationseingang verbunden ist. Die planare Wellenleiterstruktur umfasst einen Resonator mit einem Material, dessen Brechungsindex abhängig von einer Intensität des Modulationslaserlicht einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen.
HINTERGRUND
Kantenemittierende Laser basieren auf Laserdioden und sind mittlerweile für ein breites Frequenzspektrum verfügbar. Ihre hohe Ausgangsleistung und Realisierung als Massenprodukt haben sie für eine Vielzahl von Anwendungen interessant gemacht.
Dabei zeichnen sich derartige kantenemittierende Laser durch eine grö-ßere Linienbreite im Bereich einiger Nanometer aus, wobei die Ausgangsfrequenz zusätzlich abhängig von dem Strom und auch der Temperatur variiert. Dies eröffnet zwar zum einen eine Abstimmungsmöglichkeit, zum anderen wird die Ausgangsleistung des Lasers beeinflusst und ein erhöhter Schaltungsaufwand notwendig, um unerwünschte Effekte zu kompensieren oder zu unterdrücken.
In einer Reihe von Anwendungen sind jedoch Laser mit schmaler Linienbreite bzw. auch eine hohe Stabilität der Emissionswellenlänge und der Leistung gewünscht. Hierzu ist es notwendig, kantenemittierende Laser zu stabilisieren. Zum einen lässt sich dies durch DFB Strukturen entlang des Laserresonators bewerkstelligen, wobei dies jedoch mit erhöhten Kosten verbunden ist. Eine Alternative dazu besteht in der Kopplung der Laseranordnungen mit externen Kavitäten mit einstellbaren Etalons, Bragg-Gratings oder auch mit Mikroresonatoren mit kleinem Formfaktor. Bei all diesen lassen sich Linienbreiten von nur wenigen kHz oder sogar darunter erreichen.
Letztere besitzen zudem die Möglichkeit, die Resonatorfrequenz des Mikroresonators aktiv zu steuern, z. B. umso beispielsweise eine Modenstabilisierung (engl. Mode locking), eine erhöhte Temperaturstabilität oder eine Frequenzmodulation zu erreichen. Die bisher vorgeschlagenen Ansätze, z.B. eine thermische Erwärmung der Resonatorstruktur sind jedoch langsam und liegen im Bereich einiger kHz. Für Anwendungen gerade im LIDAR Bereich, bei dem sehr frequenzstabile Moden benötigt werden, die schnell modulierbar sein müssen, ist dies zu langsam. Damit besteht
das Bedürfnis, Laseranordnungen anzugeben, die einerseits frequenzstabil sind und dennoch mit hohen Schaltfrequenzen im GHz Bereich moduliert werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedürfnis wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen. Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen des vorgeschlagenen Prinzips sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfinder schlagen vor, unter Ausnutzung des optischen Kerr-Effektes eine Brechzahlmodulation in einem Resonator zu erzeugen und auf diese Weise ein frequenzstabilisiertes Nutzlaserlicht zu modulieren. Dazu wird eine zweite Lichtquelle in Form eines Lasers verwendet, dessen Licht unter Ausnutzung der optischen Nichtlinearität eine aktive Modulation des stabilisierten Nutzsignals im Resonator bewirkt.
Bei Verwendung von photonischen integrierten Schaltkreisen mit Resonatorstruktur lassen sich die optischen Eigenschaften des Resonators durch ein Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge in geeigneter Weise unter Ausnutzung des optischen Kerr-Effektes steuern. Auf diese Weise lassen sich planare Wellenleiterstrukturen der vorgeschlagenen Art mit zusätzlichen Funktionalitäten wie Strahlteilung oder -Kombination, optischen Schaltern usw. kombinieren.
In einem Aspekt nach dem vorgeschlagenen Prinzip umfasst eine Laseranordnung eine erste Laservorrichtung, und insbesondere eine kantenemittierende Laservorrichtung, die ausgebildet ist, ein Nutzlaserlicht zu emittieren. Das Nutzlaserlicht besitzt eine erste Hauptwellenlänge oder vereinfacht gesagt eine erste Wellenlänge. Unter dem Begriff „Licht einer Wellenlänge“ sei an dieser Stelle nicht eine (mathematisch) einzelnen Wellenlänge zu verstehen. Vielmehr zeigt das Licht ein gewisses, wenn auch sehr kleines Linienspektrum mit einer bestimmten Breite im Bereich einiger nm oder auch darunter. In diesem Zusammenhang spricht man daher auch davon das das Licht der einen Wellenlänge verbreitert ist, und sein Maximum bei dieser Wellenlänge sitzt.
Die vorgeschlagene Laseranordnung umfasst weiterhin wenigstens eine zweite einstellbare Laservorrichtung, die ausgebildet ist, wenigstens ein in der Intensität einstellbares Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge zu emittieren.
Zur Stabilisierung der ersten Laservorrichtung ist eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Modulationseingang und mit einem Ausgang vorgesehen. In einigen Aspekten ist die planare Wellenleiterstruktur in Form eines PIC (photonic integrated circuit) oder eines PLC (planar light circuit) ausgeführt. Die erste Laservorrichtung, welches im Betrieb das Nutzlaserlicht erzeugt, ist mit dem Signaleingang verbunden, die zweite Laservorrichtung ist mit dem Modulationseingang verbunden.
Die planare Wellenleiterstruktur weist zudem einen Resonator auf, dessen Material einen von einer Intensität des Modulationslaserlicht abhängigen einstellbaren Brechungsindex umfasst. Mit anderen Worten ist ein Resonator der planaren Wellenleiterstruktur zum einen so ausgestaltet, dass dieser mit dem Nutzlaserlicht interagiert, um beispielsweise eine vordefinierte Mode festzulegen. Zum anderen ist der Resonator ausgeführt, abhängig von einer Intensität des Modulationslaserlichts einen Brechungsindex zu ändern und so eine Verschiebung der vordefinierten Modenfrequenz zu erreichen. Dadurch ist eine Frequenzmodulation der Mode in Abhängigkeit der Intensität des Modulationslaserlichts möglich.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung wird durch Ausnutzung des optischen Kerr-Effektes eine rein optische Modulation eines Nutzlaserlichts möglich. Damit kann die planare Wellenleiterstruktur speziell auf die erste Laservorrichtung abgestimmt werden, um somit beispielsweise eine sehr hohe Frequenz- und Temperaturstabilität zu erreichen. Durch eine geeignete Wahl der Wellenlänge des Modulationslaserlichts, die unterschiedlich zu einer Wellenlänge des Nutzlaserlichts ist, wird eine Interferenz reduziert oder ganz vermieden. Weitere geeignete Maßnahmen in der planaren Wellenleiterstruktur unterdrücken zudem eine unerwünschte Auskopplung des Modulationslaserlichts am Ausgang, so dass dort im wesentlichen ein frequenzmodulierbares Nutzlaserlicht abgegriffen wird.
Es hat sich in einigen Aspekten als zweckmäßig herausgestellt, wenn das Modulationslaserlicht eine größere Wellenlänge aufweist als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts. In diesem Fall ist das Material des Resonators für das Modulationslaserlicht transparent. Zwar kann das Modulationlaserlicht auch eine kürzere Wellenlänge haben, aber bei längerer Wellenlänger ist das Material typischerweise transparenter als bei kürzerer, damit ergeben sich größere Photoneneinschlusszeiten im Resonator und größere Intensitäten.
Einige Aspekte beschäftigen sich mit der Ausgestaltung eines Resonators innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur. Der Resonator kann beispielsweise als ein Ringresonator ausgestaltet sein. In einigen Aspekten kann der Resonator eine planare Microkavität insbesondere zwischen 2 Spiegeln aufweisen. Ebenso ist es möglich, den Resonator durch eine materialspezifische Kavität innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur zu realisieren. Dies kann in einigen Aspekten durch eine Dotierung erfolgen. In einigen anderen Aspekten ist der Resonator durch eine photonische Struktur gebildet. In wieder anderen Aspekten kann der Resonator mit oder auch als ein sogenannter „whispering gallery mode Resonator“ ausgeführt sein.
In einigen Aspekten umfasst die planare Wellenleiterstruktur eine Ein- und Auskoppelstruktur, die mit dem Signaleingang und dem Ausgang verbunden ist und mit der eine optische Ankopplung an den Resonator erreicht wird. Mit anderen Worten ist der Resonator nicht direkt, d.h. über einen Wellenleiter zwischen Signaleingang und Ausgang geschaltet, sondern es erfolgt leidglich eine indirekte optische Ankopplung. Somit kann die eigentliche Resonatorstruktur innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur von einem Wellenleiter oder einer anderen optisch aktiven Struktur, welche den Signaleingang mit dem Ausgang verbindet, beabstandet sein.
In einigen Aspekten umfasst die planare Wellenleiterstruktur somit einen den Signaleingang mit dem Signalausgang verbindenden Wellenleiter, von dem der Resonator beabstandet ist. In einigen Aspekten ist der Modulationseingang der planaren Wellenleiterstruktur mit dem verbindenden Wellenleiter verbunden. Dadurch wird das Modulationslaserlicht in den Wellenleiter eingeführt und koppelt von dort aus in den Resonator. Es ist bei dieser Ausgestaltung in einigen Aspekten zweckmäßig, den Ausgang mit einem optischen Element zu versehen, welches das Modulationslaserlicht blockiert. Dies kann ein Filter oder ein Spiegel oder eine DBR Struktur sein. In einigen Aspekten ist ein Einkopplungskoeffizient von Modulationslaserlicht von dem verbindenden Wellenleiter in den Resonator größer als ein Einkopplungskoeffizient des Nutzlaserlichts. Dies kann generell bei auch den noch weiter unten genannten Ausführungen der Fall sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Modulationslaserlicht bestmöglich für die Veränderung der Brechzahl genutzt wird. Je besser der Einkopplungskoeffizienz diesbezüglich ist, desto geringer kann die Leistung der zweiten Laserquelle sein, um den gewünschten Effekt zu erzeugen.
In einer Ausgestaltung umfasst die planare Wellenleiterstruktur einen Modulationswellenleiter, der mit dem Resonator zur Einkopplung des Modulationslaserlichts gekoppelt ist. Mit anderen Worten werden die optischen Pfade für das Nutzlaserlicht und das Modulationslaserlicht auch räumlich voneinander getrennt, so dass der Modulationswellenleiter keine direkte Verbindung über einen Wellenleiter zum Signaleingang oder Ausgang aufweist. Dadurch wird eine direkte Interaktion des Modulationslaserlichts mit dem Nutzlaserlicht reduziert bzw. eine Interferenz oder eine Schwebung vermieden. Auch in diesen Aspekten kann der Modulationseingang gegenüberliegenden Ende des Modulationswellenleiters einen Spiegel oder einen Absorber aufweisen.
Die Laseranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip sollte grundsätzlich für das Nutzlaserlicht als auch für das Modulationslaserlicht transparent sein. Je nach Ausgestaltung kann darüber hinaus der Resonator innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur ein gegenüber dem Rest der Wellenleiterstruktur unterschiedliches Material aufweisen.
Dabei ist die Erzeugung des optischen Kerr-Effektes ebenfalls materialabhängig. Durch das optische Pumpen mit dem Modulationslaserlicht wäre ein hoher Q-Faktor generell wünschenswert, da ein solcher die Lebensdauer der Photonen des Pumplaserlichts erhöht und somit zu einer stärkeren Änderung der Brechzahl führt. Geeignete Materialen für einen solchen Resonator wären beispielsweise Si, SiNx, AlN, Si, Ta₂O₅, LiNbO₃, Hydex, AlGaAs oder auch verschiedene Silica, wobei hier der Kerr-Koeffizient noch kleiner ist.
Einige andere Aspekte beschäftigen sich mit einem Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung. Hierzu weist die Laseranordnung eine erste Laservorrichtung, insbesondere eine kantenemittierende Laservorrichtung zur Erzeugung eines Nutzlaserlicht auf. Zudem umfasst sie eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Ausgang und einem Resonator, dessen Brechungsindex einstellbar ist. Bei dem Verfahren wird nun ein Nutzlaserlicht erzeugt und das Nutzlaserlicht in die planare Wellenleiterstruktur eingekoppelt. Der vorhandene Resonator verstärkt zumindest eine Mode des Nutzlaserlichts selektiv und bewirkt auf diese Weise eine optische Rückkopplung, die auch als „self-injection mode locking“ bezeichnet wird.
Des Weiteren wird ein Modulationslaserlicht in ein Material des Resonators eingestrahlt und damit ein Brechungsindex eines Materials des Resonators in Abhängigkeit einer Intensität des eingestrahlten Modulationslaserlichts verändert.
Dabei kann der Brechungsindex hin zu größeren Werten verschoben werden, wenn die „Nulllinie“ kein Modulationslaserlicht beinhaltet (d.h. die Intensität des Modulationslaserlichts 0 ist). Allerdings lässt sich der Brechungsindex auch zu kleineren Werten verschieben, wenn das Modulationslaserlicht von einem ersten Intensitätswert hin zu kleineren Werten verschoben wird. Auf diese Weise kann die Frequenz des Nutzlaserlichts sowohl zu größeren als auch zu kleineren Werten verschoben werden. Die Veränderung des Brechungsindex erfolgt bei dem vorgestellten Verfahren durch den intensitätsabhängigen optischen Kerr-Effekt.
In einigen Aspekten ist eine Wellenlänge des Modulationslaserlichts größer als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts. Es ist in einigen Aspekten zweckmäßig, wenn ein Einkoppeln des Nutzlaserlichts in die planare Wellenleiterstruktur räumlich getrennt von einem Einstrahlen des Modulationslaserlichts erfolgt. Dadurch wird eine Wechselwirkung zwischen dem Nutzlaserlicht und dem Modulationslaserlicht weitestgehend reduziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

1 zeigt eine Laseranordnung mit einer kantenemittierenden Laserdiode und einem PIC;
2 stellt eine Laseranordnung mit einigen Aspekten nach dem vorgeschlagenen Prinzip dar;
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Laseranordnung mit einigen Aspekten nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Laseranordnung nach 3;
5 zeigt eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum Betreiben einer Laseranordnung mit einigen Aspekten nach dem vorgeschlagenen Prinzip.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.
1 zeigt das Prinzip eines Mikroresonators, der für eine Frequenzstabilisierung einer Laserdiode besonders geeignet ist. Die Anordnung umfasst eine Laserdiode 10, die optisch an eine Resonatorschaltung 2' angeschlossen ist. Die Resonatorschaltung 2' umfasst einen Wellenleiter 11, dessen Eingang mit der Laserdiode 10 verbunden ist, sowie einen Ausgang 12'. Darüber hinaus ist in der Anordnung 2' ein Resonator 3 in Form eines Ringresonators angeordnet.
Eine Laserdiode der eingangs genannten Art, insbesondere in Form eines kantenemittierenden Lasers erzeugt das über der Laserdiode 10 angezeigte Spektrum. Das Spektrum der Laserdiode 10 besitzt eine Linienbreite von einigen Nanometern und enthält eine Vielzahl von Moden. Es ergibt sich aus der Herstellung eines kantenemittierenden Lasers sowie durch die Verbreiterung aufgrund von Instabilitäten, die beispielsweise durch Temperatur oder auch eine Stromvariation verursacht werden. Dadurch wird die Kohärenzlänge derartiger kantenemittierenden Laserdioden reduziert. Durch die Temperaturabhängigkeit ergibt sich darüber hinaus eine Verschiebung der Wellenlänge im Bereich von 0,2 bis 0,3 nm/K. Um in diesem Zusammenhang eventuell schon bessre Ergebnisse hinsichtlich einer Kohärenzlänge und geringeren Linienbreite zu erzielen, können auch DFB oder andere Laser verwendet werden.
Die hier vorgeschlagene Anordnung erlaubt es nun, das Ausgangslaserlicht NL, auch als Nutzlicht bezeichnet, zu stabilisieren. Zu diesem Zweck wird das Nutzlicht NL in einen Wellenleiter 11 der Resonatoranordnung 2' eingekoppelt. Der Wellenleiter 11 ist optisch mit einem Ringresonator 3 gekoppelt. Der Ringresonator 3 ist hinsichtlich seiner Größe, d. h. hinsichtlich seines Radius so gestaltet, dass er einige Moden aus dem breiten Spektrum des kantenemittierenden Lasers 10 auswählt und verstärkt. Daraus ergibt sich ein Spektrum, bei dem eine Vielzahl einzelner Moden mit unterschiedlicher Wellenlänge stark überhöht sind.
Durch die optische Kopplung D zwischen dem Ringresonator 3 und dem Wellenleiter 11 erfolgt im Allgemeinen eine optische Rückkopplung vom Resonator zurück in die Laserdiodenkavität. Eine solche ist die weiter unten beschriebene selbst justierende und selbst induzierte Modenstabilisierung des abgegebenen Laserlichts („self-injection), so dass die Anordnung 2' eine der möglichen Moden „auswählt“ und diese am Ausgang 12' abgegeben wird. Alternative Feedback Möglichkeiten sind z.B. durch den Vernier-Effekt gegeben.
Die selbst induzierte Stabilisierung lässt sich durch die Kopplung D zwischen dem Ringresonator und dem Wellenleiter als auch durch die geometrischen Abmessungen des Ringresonators in gewisser Weise einstellen. Durch die selbst induzierte Stabilisierung wird die spektrale Bandbreite der nun ausgewählten Mode deutlich reduziert und liegt im Bereich von nur wenigen Megahertz bzw. je nach Art der verwendeten Laser auch darunter. Gleichzeitig wird die Kohärenzlänge des abgegebenen Laserlichts vergrößert und es erfolgt eine Stabilisierung der Wellenlänge gegenüber Temperaturänderungen. Auf diese Weise lassen sich kantenemittierende Laser auch für Anwendungen realisieren, bei denen eine hohe Kohärenzlänge und eine besonders kleine Linienbreite erforderlich sind. Durch die Verwendung eines derartigen Mikroresonator ist zudem die Implementierung einer solchen Anordnung sehr klein und platzsparend.
Allerdings ist durch die Stabilisierung mittels des Mikroresonators eine anschließende Modulation des kantenemittierenden Lasers selbst, beispielsweise durch eine Änderung des Stromes durch den Laser nicht mehr möglich. Aus diesem Grund muss für eine Frequenzmodulation der Mikroresonator selbst moduliert werden und zwar genauer gesagt der Brechungsindex des Materials des Resonators. Dies lässt sich beispielsweise durch ein Erwärmen bzw. Abkühlen der Resonatoranordnung 2' erreichen, da durch einen solchen Parameter der Brechungsindex entsprechend geändert wird. Jedoch ist eine derartige thermische Modulation sehr langsam und auf Modulationsfrequenzen mit wenigen 10 kHz beschränkt. Eine elektro-optische Modulation, beispielsweise durch Anlegen eines konstanten elektrischen Feldes ist ebenfalls denkbar, jedoch werden hierfür hohe Spannungen benötigt. Dies ist gerade bei platzsparenden und gegebenenfalls besonderen Anwendungen im Niederstrom oder Niederspannungsbereich nur schwer möglich. Ebenso entfällt die Notwendigkeit einer Ansteuerung zur Erzeugung derartiger Spannungen.
Aus diesem Grund schlagen die Erfinder eine reine optische Modulation des Brechungsindex innerhalb des Ringresonators unter Ausnutzung des optischen Kerr-Effektes vor.
2 zeigt eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Prinzips. Bei dieser ist neben der eigentlichen Laserdiode 10 zur Abgabe des Nutzlichts NL auch eine zweite Laserdiode 20 zur Erzeugung eines Modulationslichts ML vorgesehen. Das Modulationslicht ML wird von einer zweiten Laseranordnung 20 erzeugt und über einen zweiten Wellenleiter 21 in den ersten Wellenleiter 11 eingekoppelt. Es gelangt von dort über die optische Kopplung in den Resonator 3. Dies ist durch den Pfeil ML angedeutet.
Durch den weiter unten im Detail noch erklärten optischen Kerr-Effekt wird der Brechungsindex des Materials des Ringresonators 3 intensitätsabhängig verändert. Dadurch werden die Eigenmoden des Ringresonators modifiziert, sodass sich eine Frequenzmodulation der Resonanzfrequenz und damit auch der Ausgangsfrequenz des Nutzsignals NL ergibt. Die Trägerfrequenz des Modulationslichts ML ist dabei von der Frequenz des Nutzlichts verschieden, sodass Interferenzen bzw. eine Interaktion zwischen Nutzlicht NL und Modulationslicht ML möglichst vermieden werden. Darüber hinaus ist sowohl der Wellenleiter 11 als auch das Material des Ringresonators 3 für das Nutzlicht NL und auch für das Modulationslicht ML im Wesentlichen transparent. Jedoch ist die optische Kopplung D zwischen Ringresonator 3 und dem Wellenleiter 11 so ausgestaltet, dass vor allem Nutzlicht aus dem Ringresonator 3 mit dem Nutzlicht des Wellenleiters 11 unter Bildung einer selbstinduzierten und selbstjustierten Stabilisierung interagiert und am Ausgang 12 abgreifbar ist. Der Resonator 3 ist zudem so ausgestaltet, dass das Modulationslicht ML hingegen zwar in den Ringresonator einkoppelt, jedoch nicht oder nur in einem geringeren Maße wieder auskoppelt. Die Kopplung zwischen Resonator und Wellenleiter sind so ausgestaltet, dass die Intensität des Modulationslichts im Resonator maximiert wird.
Für die Veränderung des Brechungsindex wird der optische Kerr-Effekt ausgenutzt. Bei der Ausbreitung von Licht in einem transparenten Medium kann der Polarisationsvektor P aus dem elektrischen Fluss $\vec{D} = ε_{0} \vec{E} + \vec{P}$
als Summe aus verschiedenen materialabhängigen Termen dargestellt werden, da dieser die Antwort des Materials beinhaltet. $\vec{P} = ε_{0} (χ^{(1)} \vec{E} + χ^{(2)} \vec{E} \vec{E} + χ^{(3)} \vec{E} \vec{E} \vec{E} + \dots)$
Dabei bezeichnet ε₀ die elektrische Feldkonstante, und χ einen materialabhängigen Parameter, der Vektor E ist die Stärke des elektrischen Feldes des Lichtes. Für den Brechnungsindex ergibt sich in erster Näherung eine lineare Antwort mit $n_{0} = \sqrt{1 + χ^{(1)} .}$
Der zweite Term in der in Formel (1) dargestellten Form beinhaltet den Pockelseffekt, der lediglich in Materialien präsent ist, bei denen das Inversionssymmetriezentrum fehlt. In solchen Materialien lässt sich der Pockelseffekt einsetzen, um mit einem konstanten Feld den Brechungsindex zu variieren. Licht führt hingegen nicht zu einer nutzbaren Veränderung des Brechungsindex über den Pockelseffekt, da die Feldstärkerichtung ausschlaggebend ist und sich im zeitlichen Mittel aufhebt.
Der dritte Term hingegen beschreibt den nichtlinearen Kerr-Effekt. Dieser ist symmetrieunabhängig und damit in allen Materialien vorhanden, besitzt aber eine gegenüber dem Pockelseffekt deutlich kleinere Amplitude. Der optische Kerr-Effekt wird durch das Quadrat des E-Feldes und damit von der Intensität erzeugt. Somit kann er bei sich zeitlich verändernden Feldern zu einem Nettoeffekt führen, unter anderem zu einen intensitätsabhängigen Brechungsindex.
Mit anderen Worten ist der Kerr-Effekt von der Intensität des abgestrahlten Lichts abhängig. Bei diesem sogenannten optischen bzw. AC Kerr-Effekt erzeugt eine Modulation einer Intensität des eingestreuten Lichts somit auch eine Modulation des Brechungsindex, ohne dass dafür ein zusätzliches externes Feld notwendig ist. Es gilt in diesem Zusammenhang die Formel (2): $P = ε_{0} (χ^{(1)} + \frac{3}{4} χ^{(3)} {| E_{ω} |}^{2}) E_{ω} cos (ω t)$
Die Polarisation wird somit proportional zur Intensität und einem materialabhängigen Parameter χ. Daraus folgt, dass eine Änderung des Brechungsindex von der Intensität des eingeschalteten Lichts abhängig wird: Δn = n₂I(r, t).
Je nach Anwendungsfall und der gewünschten Frequenzmodulation stellt sich also die Frage, ob die Intensität eines Modulationslichts ML für die erforderliche Brechungsindexänderung ausreichend ist. Dies kann im Folgenden abgeschätzt werden. Bei einem Ringresonator, wie er beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt ist, ist der spektrale freie Bereich FSR_f durch die Formel (4) gegeben: $F S R_{f} = \frac{λ^{2}}{2 π R n_{g}}$
Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit und R der Radius des jeweiligen Resonators. Die Konstante n_g beschreibt den Gruppenindex der Wellenleitermode im Resonator . Bei typischen Größen des Resonators im Bereich von 100 um Durchmesser liegt der freie spektrale Bereich für Wellenlängen knapp im infraroten Spektrum, d.h. bei ca. 800 nm -900 nm somit bei einigen 100 GHz. Entsprechend reicht eine Frequenzmodulation on ca 1GHz d. h. also im Wesentlichen 0,25 % der Frequenz des freien Spektralbereichs für viele Anwendungen bereits aus.
Bei einem Nutzlicht mit einer Wellenlänge von 900 nm ergibt sich eine Differenz der Wellenlänge von in etwa Δλ=0,0027 nm. Diese Abweichung ist für frequenzmodulierten kontinuierliche Lasersysteme beispielsweise für Lidaranwendungen und Ähnliches ausreichend.
Für eine derartige Wellenlängen- oder Frequenzänderung lässt sich nun die Brechungsindexänderung aus der Resonanzbedingung des Ringresonators bei gegebener Ordnung m ermitteln. Es ergibt sich: $m * 2 π = 2 π R * k_{0} n_{e f f}$
wobei der Parameter m die Ordnung angibt, k₀ die Wellenzahl sowie n_eff den effizienten Brechungsindex, der im Fall für eine Variation des effektiven Brechungsindex näherungsweise mit dem erforderlichen Brechungsindexsprung An gesetzt werden kann.
Nach diesem Brechungsindexsprung Δn aufgelöst ergibt sich für eine Wellenlängenänderung Δλ im Bereich von 0,0027 nm und der Ordnung m = 700 eine Brechungsindexänderung im Bereich von 10^-6, insbesondere 6 × 10^-6. $Δ n = \frac{m * Δ λ}{2 π R} = 6 * 10^{- 6}$
Die Änderung Δn des Brechungsindex muss nun durch die Intensität des zusätzlichen Modulationslichts erzeugt werden. Dabei ist es zweckmäßig, ein Material als Ringresonator zu verwenden, welches zum einen transparent für das Modulationslicht ist, zum anderen aber auch eine relativ hohe Photonenlebensdauer innerhalb des Resonators besitzt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Photonen sich ausreichend lang im Resonator aufhalten, bevor sie beispielsweise durch Absorption, Streuung oder andere Interaktionen aus dem Resonator verschwinden. Hierzu ist eine besonders hohe Güte des Resonators zweckmäßig.
In der vorgeschlagenen Abschätzung wird nun ein Q-Faktor im Bereich von 10⁶ angenommen. Bei einer Photonenlebensdauer τ im Resonator gemäß der Formel (7) $τ = \frac{2 π}{δ f} = \frac{2 π Q}{f}$
und einem Q-Faktor von Q=f/δf ergibt sich ein Verstärkungsfaktor a von Photonen des Modulationslichts innerhalb des Resonators als Verhältnis aus der Photonenlebensdauer τ durch die Umlaufzeit t_r durch den Resonator. Während die Umlaufzeit t_r im Wesentlichen aus den Parametern des Resonators gegeben ist, d.h. Länge durch die Lichtgeschwindigkeit in diesem Material, wird die Photonenlebensdauer durch den Q-Faktor und die Frequenz bestimmt. Es gilt somit $a = \frac{τ}{t_{r}} = \frac{\frac{2 π Q}{f}}{\frac{L_{e f f}}{c}} = \frac{2 π Q c}{f * L * n_{g}} \sim 4500$
In der Formel (8) zeigen unter anderem die Materialparameter Q, L und natürlich die f eine Frequenzabhängigkeit. Bei geringeren Frequenzen f, und konstanten Parametern Q und L ergibt sich unter anderem auch, dass eine geringere Frequenz, d.h. also energieärmeres Licht zu einem höheren Faktor a führt. Im Material ergeben sich größere Einschlusszeiten und damit größere Parameter Q bei größerem Ä typischerweise durch geringere Absorptions- und Streuverluste. Dies alles führt im Regelfall zu größeren Faktoren a bei größeren Wellenlängen. Bei einem Q-Faktor im Bereich von 0.5·10⁶ und einer Größe des Ringresonators mit R in etwa 50 um ergibt sich ein Verstärkungsfaktor a von ungefähr 4500.
Bei einem Material des Ringresonators aus SiNx mit einem Brechungsindex n₀=2,0 und einem intensitätsabhängigen Brechungsindex n₂ = 2, 5×10^-19 m²/W folgt für einen Laser mit einer Leistung von P = 40 mW auf einer Abstrahlfläche von 1 um Durchmesser eine Intensität I gemäß: $I = \frac{P}{π {(\frac{d}{2})}^{2}} = 5,2 * 10^{10} \frac{W}{m^{2}}$
Diese Intensität führt gemeinsam mit dem Verstärkungsfaktor a im Bereich von 4500 zu einer intensitätsabhängigen Brechungsänderung Δn von: $Δ n = n_{2} * I = 2,5 * 10^{- 19} \frac{m^{2}}{W} * 5,2 * 10^{10} \frac{W}{m^{2}} * 4500 \approx 6 * 10^{- 5}$
Der Parameter n₂ ist eine materialabhängige Größe und beschreibt die Brechungsindexänderung über das Quadrat der Strecke in Abhängigkeit der eingestrahlten Leistung. Die Brechungsindexänderung Δn ist somit ausreichend für die gewünschte Verschiebung und Frequenzmodulation von 1 GHz bei einem Nutzerlicht von 900 nm Wellenlänge.
Mit anderen Worten kann der optische Kerr-Effekt zur Erzeugung einer Brechungsänderung verwendet werden, wobei diese Änderung durch ein zusätzliches Modulationslicht von wenigen Milliwatt Leistung erreicht wird. Eine Intensitätsänderung des Modulationslichts erlaubt es somit, eine Frequenzmodulation des eingestrahlten Nutzlaserlichts zu bewirken.
Dabei kann diese Frequenzänderung im Bereich von einigen 100 MHz bis einigen GHz liegen, wobei dies insbesondere von den Materialeigenschaften des verwendeten Resonators, dessen Güte und dem daraus resultierenden Verstärkungsfaktor abhängig ist. Auf die Kohärenzlänge bzw. auch die Temperaturabhängigkeit des Lasers 20 für das Modulationslicht kommt es dabei weniger an, da diese durch schaltungstechnische Maßnahmen nachgesteuert werden kann bzw. eine Verschiebung der Frequenz des Modulationslichts aufgrund von Temperatureinflüssen für die erfindungsgemäße Lösung nicht von relevanter Bedeutung ist. Es reicht, die Intensität des Modulationslasers 20 schnell regeln zu können, um die gewünschte Modulationsfrequenz zu erreichen.
Die 3 und 4 zeigen nun weitere Ausgestaltungen und Alternativen, bei denen verschiedene Aspekte der Ankopplung des Modulationslichts bzw. Auskopplung des Nutzlichts aus dem Resonator im Vordergrund stehen. Während in der 2 das Modulationslicht und das Nutzlicht im Wesentlichen innerhalb des gleichen Wellenleiters 11 propagieren, sind in den Ausführungsformen der 3 und 4 unterschiedliche Wellenleiter 11 und 21 für das Nutzlicht NL bzw. das Modulationslicht ML vorgesehen.
In der 3 umfasst die Resonatoranordnung 2 einen ersten Wellenleiter 11, der über eine erste Kopplung D mit dem Ringresonator 3 verbunden ist. Der Wellenleiter 11 ist eingangsseitig mit einem kantenemittierenden Laser 10 verbunden. Ausgangsseitig ist ein moduliertes Nutzsignal NL abgreifbar. Ein zweiter Wellenleiter 21 ist räumlich beabstandet von dem ersten Wellenleiter 11 über eine zweite Kopplung D' mit dem Ringresonator 3 verbunden. Der zweite Wellenleiter 21 ist eingangsseitig an den Modulationslaser 20 zur Zuführung des Modulationslichts ML angeschlossen. Die Kopplung D' zwischen dem Ringresonator 3 und dem zweiten Wellenleiter 21 ist derart ausgestaltet, dass das Modulationslicht ML in großem Maße in den Ringresonator einkoppelt und so die Intensität des Modulationslaserlichts im Ringresonator maximiert wird. Hingegen sollte das Nutzlicht NL lediglich über die Kopplung D in den Ringresonator hinein bzw. ausgekoppelt werden.
Zu diesem Zweck ist der Ringresonator von den beiden Wellenleitern 11 bzw. 21 unterschiedlich beabstandet, sodass eine Einkopplung über eine optische Kopplung erfolgt. In geeigneter Weise können hierzu die Wellenleiter 11 bzw. 21 auch eine entsprechende Struktur beispielsweise eine Optik umfassen, die eine Einkopplung verbessert. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn das Modulationslicht ML und das Nutzlicht an sich unterschiedliche Frequenzen aufweisen, um die Einkopplung zu verbessern bzw. die unerwünschte Auskopplung aus dem Resonator zu verhindern. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass größere Wellenlängen für das Modulationslaserlicht von Vorteil sind, da sich die Güte des Resonators bei größeren Wellenlängen und damit die daraus resultierende Photonenlebensdauer vergrößert.
4 zeigt eine leichte Abwandlung der 3, bei der am ausgangsseitigen Ende des Wellenleiters 21 für das Modulationslicht ein Spiegel angeordnet ist. Dadurch wird Modulationslicht, welches nicht in den Resonator 3 eingekoppelt ist, wieder zurückgeworfen und kann somit erneut durch die Kopplung D' in den Ringresonator einkoppeln.
Dies erhöht die Effizienz des Modulationslichts und erlaubt es, auch mit geringeren Gesamtintensitäten arbeiten zu können.
5 zeigt eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum Betreiben einer Laseranordnung, bei der die Laseranordnung eine erste Laservorrichtung, insbesondere in Form eines kantenemittierenden Lasers zur Erzeugung eines Nutzlaserlichts aufweist. Mit der ersten Laservorrichtung ist eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur verbunden, die neben einem Wellenleiter auch einen dazu optisch gekoppelten Resonator umfasst. Der Resonator ist derart ausgestaltet, dass sein Brechungsindex unter Ausnutzung des optischen Kehreffektes intensitätsabhängig einstellbar ist.
Bei dem Verfahren wird in Schritt S1 eine derartige Laseranordnung bereitgestellt und vorbereitet, indem sowohl eine erste Laservorrichtung als auch eine zweite Laservorrichtung elektrisch angeschlossen und für den Betrieb vorbereitet werden. Während die erste Laservorrichtung das Nutzlaserlicht erzeugt, dient die zweite Laservorrichtung zur Erzeugung eines Modulationslaserlichts. Die erste Laservorrichtung erzeugt im Betrieb ein in seiner Intensität im Wesentlichen konstantes Nutzlaserlicht. Hingegen ist die zweite Laservorrichtung in Schritt S1 so ausgeführt, dass sie ein Modulationslaserlicht mit variabler Intensität erzeugt. Die Modulationsfrequenz bzw. die Art und Weise der Amplitudenmodulation bedingt unter Berücksichtigung des optischen Kerr-Effektes eine entsprechende Veränderung des Brechungsindex innerhalb des Resonators und damit eine resultierende Frequenzmodulation des Nutzlaserlichts.
In Schritt S2 wird das Nutzlaserlicht erzeugt und in die planare Wellenleiterstruktur eingekoppelt. Durch den Resonator wird dabei zumindest eine Mode des Nutzlaserlichts selektiv verstärkt und lässt sich am Ausgang als Einzelmodenlaser abgreifen.
In Schritt S3 wird ebenso ein Modulationslaserlicht in das Material des Resonators eingestrahlt. Durch eine Änderung der Intensität des ein gestrahlten Modulationslaserlichts wird der Brechungsindex des Materials des Resonators in Abhängigkeit der Intensität geändert. Diese Änderung wirkt auf das Nutzlaserlicht und führt zu einer Änderung der Frequenz, der durch den Resonator verstärkten Mode. Dadurch ergibt sich auch eine Frequenzänderung des eingestrahlten Nutzlaserlichts, wobei die Amplitudenmodulation die Brechungsindexänderung bestimmt, und diese dann eine Frequenzmodulation im Nutzlicht bewirkt. Die Frequenzmodulation folgt so der Amplitudenmodulation.
Hierbei ist festzuhalten, dass sich eine Veränderung des Brechungsindex bei einer ansteigenden Intensitätsänderung vor allem zu größeren Wellenlängen hin ergibt, da der Effekt in den meisten Materialien positiv ist. Mit anderen Worten erfolgt eine Frequenzmodulation somit zu kleineren Frequenzen hin.
Will man hingegen eine Frequenzmodulation in beide Richtungen, d. h. ausgehend von einer Grundfrequenz f₀ sowohl zu höheren (f₀+Δf) als auch zu niedrigeren (f₀-Δf) Frequenzen hin erreichen, so ist es zweckmäßig, die Grundfrequenz f₀ bereits mit einer definierten Intensität des Modulationslaserlichts zu spezifizieren und zu erzeugen. Durch eine Veränderung der Intensität des bereits vorhandenen Modulationslaserlichts hin zu stärkeren bzw. zu schwächeren Intensitäten kann auf diese Weise auch eine Frequenzmodulation in beide Richtungen, d. h. zu höheren oder zu geringeren Frequenzen erreicht werden.
Die Ausnutzung des optischen Kerr-Effektes gegenüber den konventionellen Lösungen haben den Vorteil, dass sie zum einen sehr schnell arbeitet, zum anderen nur geringe Zahl zusätzlicher Bauteile benötigen. Bis auf eine zusätzliche Laseranordnung und eine geringfügige Veränderung der Struktur des Resonators sind keine weiteren Maßnahmen notwendig.
Insbesondere kann auf höhere Spannungen verzichtet werden, die beispielsweise bei der Verwendung des Pockelseffekts notwendig wären. Die erreichbare Frequenzverschiebung ist lediglich von dem verwendeten Material des Resonators und der damit verbundenen Parameter abhängig. Mögliche Materialien sind an dieser Stelle das bereits genannte Siliziumnitrid SiNx, Silikone, aber auch Silizium Si, Galliumphosphid GaP, oder Aluminiumnitrid AlN. Ebenso lassen sich LiNbO₃, Ta₂O₃, GaAs, AlGaAs und Hydex verwenden. Diese Materialien zeichnen sich durch einen Brechungsindex der zweiten Ordnung im Bereich von 10^-19 m²/W aus, sodass bei einem ausreichend hohen Gütefaktor eine Änderung des Brechungsindex im Bereich von 10^-5 erreichbar wird.
BEZUGSZEICHENLISTE

1, 1': Laseranordnung
2,2': Resonatoranordnung
3, 3': Resonator
10: Laservorrichtung
11: Wellenleiter
12', 12: Ausgang
20: Laservorrichtung
21: Wellenleiter
D, D': Kopplung
NL: Nutzlicht
ML: Modulationslicht

Claims

Laseranordnung aufweisend: - eine erste Laservorrichtung, insbesondere kantenemittierende Laservorrichtung, die ausgebildet ist, ein Nutzlaserlicht zu emittieren; - wenigstens eine zweite einstellbare Laservorrichtung, die ausgebildet ist, wenigstens ein in der Intensität einstellbares Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge zu emittieren; - eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Modulationseingang und mit einem Ausgang, wobei - die erste Laservorrichtung mit dem Signaleingang verbunden ist; - und die zweite Laservorrichtung mit dem Modulationseingang verbunden ist; wobei die planare Wellenleiterstruktur einen Resonator mit einem Material aufweist, dessen Brechungsindex abhängig von einer Intensität des Modulationslaserlicht einstellbar ist.
Laseranordnung nach Anspruch 1, bei dem eine Wellenlänge des wenigstens einen Modulationslaserlichts größer ist als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts.
Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Resonator der Wellenleiterstruktur einen Ringresonator aufweist.
Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Resonator der planaren Wellenleiterstruktur wenigstens einen der folgenden Elemente aufweist: - eine planare Microkavität insbesondere zwischen 2 Spiegeln; - eine durch Dotierung erzeugte materialspezifische Kavität; - eine photonische Struktur; und - einen whispering gallery mode Resonator.
Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die planare Wellenleiterstruktur eine Ein- und Auskoppelstruktur in den Resonator aufweist, die mit dem Signaleingang und dem Ausgang verbunden ist.
Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die planare Wellenleiterstruktur einen den Signaleingang mit dem Signalausgang verbindenden Wellenleiter umfasst, von dem der Resonator optional beabstandet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 6, bei dem der Modulationseingang der planaren Wellenleiterstruktur mit dem verbindenden Wellenleiter verbunden ist.
Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die planare Wellenleiterstruktur einen Modulationswellenleiter umfasst, der mit dem Resonator zur Einkopplung des Modulationslaserlichts gekoppelt ist, wobei der Modulationswellenleiter keine direkte Verbindung über einen Wellenleiter zum Signaleingang oder Ausgang aufweist.
Laseranordnung nach Anspruch 8, bei dem der Modulationswellenleiter an einem dem Modulationseingang gegenüberliegenden Ende einen Spiegel oder einen Absorber aufweist.
Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem der Resonator wenigstens eines der folgenden Materialien umfasst, die zumindest für das eingestrahlte Nutzlaserlicht transparent sind: - SiNx - AlN - Si, - Ta2O5; - InP, - AlGaAs und - LiNiO5.
Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung, wobei die Laseranordnung aufweist: - eine erste Laservorrichtung, insbesondere kantenemittierende Laservorrichtung zur Erzeugung eines Nutzlaserlicht; - eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Resonator mit einem Material aufweist, dessen Brechungsindex einstellbar ist und einem Ausgang, das Verfahren umfassend: - Erzeugen eines Nutzlaserlicht und Einkoppeln des Nutzlaserlichts in die planare Wellenleiterstruktur, wobei durch den Resonator zumindest eine Mode des Nutzlaserlichts selektiv verstärkt wird; - Einstrahlen eines Modulationslaserlichts in ein Material des Resonators; - Verändern eines Brechungsindex eines Materials des Resonators in Abhängigkeit einer Intensität des eingestrahlten Modulationslaserlicht.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine Wellenlänge des Modulationslaserlichts größer ist als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Schritt des Veränderns eines Brechungsindex des Materials durch den optischen Kerr Effekt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Einkoppeln des Nutzlaserlichts in den Resonator räumlich getrennt von einem Einstrahlen des Modulationslaserlichts erfolgt.