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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Erzeugen eines optischen Laserpulses.
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Bekannt ist ein Verfahren zum Erzeugen
von Laserpulsen, bei denen der Hilfslaser im Dauerbetrieb – also ungepulst – betrieben
wird („Laser
Diode Modulation and Noise",
K. Petermann, 1988, Kluwe Academic Publishers, Seite 46).
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In der deutschen Offenlegungsschrift
199 41 122 A1 ist darüber
hinaus ein Verfahren zur „Selbstinjektion" beschrieben. Bei
diesem Verfahren wird das Licht eines Lasers über eine Linse in eine Glasfaser eingekoppelt.
In der Glasfaser ist ein Fasergitter mit einer Reflektivität zwischen
2 % und 50 % eingeschrieben, dessen spektrale Halbwertsbreite kleiner als
der Abstand der Fabry-Perot-Moden des Lasers ist. Das in den Laser
von der Glasfaser zurückgekoppelte
Licht wirkt auf die Lichtemission im Laser zurück, wodurch sich kurze und
jitterarme Pulse erzeugen lassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren anzugeben, bei dem jitterarme optische Laserpulse mit
frei wählbarer
Wiederholrate erzeugt werden. Unter dem Begriff „Jitter" wird dabei ein zeitliches Schwanken
bzw. Rauschen der Pulslage der optischen Laserpulse verstanden,
sei es relativ zu anderen jeweils zuvor erzeugten Laserpulsen oder
sei es relativ zu dem den jeweiligen optischen Laserpuls erzeugenden
elektrischen Steuersignal.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen
2 bis 9 beschrieben.
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Danach ist vorgesehen, dass der optische
Injektionspuls des Hilfslasers derart erzeugt wird, dass er in dem
Hauptlaser zu einem Zeitpunkt eintrifft, zu dem aufgrund des Steuersignals
die Ladungsträgerdichte
im Hauptlaser die Schwellladungsträgerdichte zur Besetzungsinversion
gerade erreicht hat oder gerade überschreitet.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass mit diesem sehr jitterarme Laserpulse – und zwar
unabhängig von
der Wiederholrate – erzeugt
werden können. Dies
soll nun kurz erläutert
werden: Bei dem Erzeugen eines optischen Injektionspulses, beispielsweise mit
einem Halbleiterlaser, ist – im
zeitlichen Verlauf betrachtet – zunächst eine
spontane Emission zu beobachten, die auf ein unkoordiniertes Rekombinieren von
Elektron-Lochpaaren zurückzuführen ist.
Zeitlich erst anschließend
kommt es zur induzierten Rekombination aufgrund der erreichten Besetzungsinversion.
Wird nun dieser durch die spontane Emission noch – bezogen
auf das elektrische Hilfsteuersignal – relativ jitterbehaftete Injektionspuls
zum „richtigen" Zeitpunkt in den
Hauptlaser eingestrahlt, so werden die bereitgestellten und quasi
auf Photonen „wartenden" Elektron-Lochpaare
im Hauptlaser sofort lawinenartig rekombinieren und einen optischen „Ausgangslaserpuls" (Laserpuls) erzeugen,
bei dem der Anteil der spontanen Emission relativ klein ist. Der
resultierende Laserpuls des Hauptlasers ist damit auch relativ frei
von „Jitter". Die erfinderische
Idee besteht also im Kern darin, einen Injektionspuls genau zu dem
Zeitpunkt bereitzustellen, in dem der Hauptlaser aufgrund seiner
eigenen Ansteuerung gerade die Besetzungsinversion erreicht hat.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass sich optische Laserpulse mit beliebiger Wiederholrate
erzeugen lassen, ohne dass die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens,
dass nämlich
jitterarme Pulse erzeugt werden, verloren geht; so ist im Gegensatz
zu dem „Selbstinjektionsverfahren" gemäß der o.
g. deutschen Offenlegungsschrift 199 41 122 A1 keine Kavität vorhanden,
dessen Länge
die Wiederholrate der Laserpulse fest vorgibt.
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Ein dritter wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist darin zu sehen, dass ein relativ einfacher und damit preisgünstiger
Hilfslaser eingesetzt werden kann, da der Hilfslaser ausschließlich zum „Auslösen" der Laserpulse benötigt wird;
ein Dauerbetrieb („cw-Betrieb") des Hilfslasers mit
hoher Dauerleistung, wie er in dem oben erwähnten Buch von K. Petermann
beschrieben ist, ist somit nicht erforderlich. Im Übrigen wird
durch einen „cw-Betrieb" ein stets vorhandenes „Hintergrundsignal" generiert, dass
bei vielen Anwendungen störend ist;
ein solches „Hintergrundsignal" ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
stark reduziert.
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Zum Auslösen der lawinenartigen induzierten
Emission des Hauptlasers wird es als vorteilhaft angesehen, wenn
die Wellenlänge
des optischen Injektionspulses und die Wellenlänge des Lichts des Hauptlasers
im wesentlichen gleich sind. Vorteilhaft liegt die Wellenlänge des
optischen Injektionspulses innerhalb der Gewinnbandbreite des Hauptlasers.
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Um einfach und damit vorteilhaft
zu erreichen, dass der optische Injektionspuls „zum richtigen Zeitpunkt" im Hauptlaser eintrifft,
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der optische Injektionspuls durch
Anlegen eines elektrischen Hilfssteuersignals generiert wird, wobei
das Hilfssteuersignal am Hilfslaser zeitlich vor dem Steuersignal
am Hauptlaser angelegt wird und wobei die Zeitdifferenz zwischen
dem Anlegen des Steuersignals am Hauptlaser und dem Anlegen des
Hilfssteuersignals am Hilfslaser mindestens der Zeitspanne entspricht,
die der optische Injektionspuls vom Hilfslaser zum Hauptlaser benötigt. Bei
dieser vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird berücksichtigt,
dass der optische Injektionspuls eine optische Wegstrecke zurückzulegen
hat, bevor er vom Hilfslaser kommend den Hauptlaser erreicht.
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Das zeitversetzte Anlegen des elektrischen Steuersignals
und des elektrischen Hilfssignals lässt sich dabei in vorteilhafter
Weise erreichen, indem die elektrischen Laufzeiten des Steuersignals
und des Hilfssteuersignals zum Haupt- und Hilfslaser geeignet gewählt werden.
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Das elektrische Steuersignal und
das elektrische Hilfssteuersignal können dabei mit demselben Signalgenerator
erzeugt werden; dabei ist dann der Signalgenerator über eine
erste Ansteuerleitung mit dem Hauptlaser und über eine zweite Ansteuerleitung
mit dem Hilfslaser zu verbinden. Die erste Ansteuerleitung und die
zweite Ansteuerleitung müssen dabei
nicht über
ihre gesamte Leitungslänge
völlig getrennte
Einzelleitungen sein; im Hinblick auf eine Materialeinsparung ist
es vielmehr als vorteilhaft anzusehen, wenn die erste und die zweite
Ansteuerleitung zumindest abschnittsweise denselben Draht bzw. dieselbe
Leitung gemeinsam benutzen.
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Statt mit einem einzigen Signalgenerator können das
Steuersignal und das Hilfsteuersignal auch mit zwei Signalgeneratoren
erzeugt werden. Um dabei sicherzustellen, dass die Signale „im Takt" sind, sollten die
Signalgeneratoren vorzugsweise synchronisiert oder getriggert sein,
beispielsweise durch ein gemeinsames Triggersignal.
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Wie bereits oben erläutert, ist
es vorteilhaft, wenn die Laufzeiten der elektrischen Signale (d.
h. des Steuersignals und des Hilfssteuersignals) berücksichtigt
werden; dies ist in einfacher Weise und damit vorteilhaft durchführbar, indem
die Leitungslängen
der elektrischen Ansteuerleitungen geeignet gewählt werden; beispielsweise
kann die Länge
der ersten Ansteuerleitung so gewählt sein, dass die Laufzeit
des Steuersignals zum Hauptlaser so groß ist wie die Laufzeitsumme,
die sich durch Addition aus der Laufzeit, die das Hilfsteuersignal über die
zweite Ansteuerleitung zum Hilfslaser benötigt, und der Laufzeit, die
der optische Injektionspuls vom Hilfslaser zum Hauptlaser benötigt, ergibt.
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Das Einspeisen des Injektionspulses
in den Hauptlaser lässt
sich vorteilhaft über
einen optischen Teiler, insbesondere einen Faserteiler erreichen, über den
auch die Auskopplung des von dem Hauptlaser erzeugten Laserpulses
erfolgt.
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Da Halbleiterlaser besonders kostengünstig sind,
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der optische Injektionspuls
und/oder der optische Laserpuls mit einem Halbleiterlaser erzeugt
werden.
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Im Übrigen wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn der optische Laserpuls mit einer spektral einmodig
emittierenden Laserdiode erzeugt wird. Zum Erzeugen des elektrischen
Injektionspulses kann beispielsweise ein DFB (Distributed Feedback
Laser) – oder
ein DBR (Distributed Bragg Reflection) – Laser verwendet werden.
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Zum Erzeugen des optischen Laserpulses kann
ein „einfacher" Fabry-Perot-Laser
verwendet werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
lässt sich
im Übrigen
nicht nur ein einzelner Laserpuls, sondern – nacheinander – auch eine
Vielzahl von jitterarmen Laserpulsen, also ein Laserpulszug, erzeugen;
es wird daher also als vorteilhaft angesehen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise zur Nachrichtenübertragung
verwendet wird.
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Der Erfindung liegt außerdem die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich ein besonders
jitterarmen optischer Laserpuls mit frei wählbarer, also beliebiger Wiederholrate
erzeugen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Unteransprüchen beschrieben.
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Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und ihrer vorteilhaften Ausgestaltungen wird auf die obigen Ausführungen
zum erfindungsgemäßen Verfahren
verwiesen.
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Zur Erläuterung der Erfindung zeigt
eine Figur ein Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung,
mit der sich auch das erfindungsgemäße Verfahren durchführen lässt.
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Die Figur zeigt einen Signalgenerator 10,
der ausgangsseitig über
eine erste Ansteuerleitung 20 mit einem Hauptlaser 30 – beispielsweise
einem Fabry-Perot-Halbleiterlaser – verbunden
ist. Der Signalgenerator 10 ist ausgangsseitig über eine
zweite Ansteuerleitung 40 mit einem Hilfslaser 50 verbunden, bei
dem es sich beispielsweise um einen DFB-Halbleiterlaser oder einen
DBR-Halbleiterlaser handeln kann. Die erste Ansteuerleitung 20 und
die zweite Ansteuerleitung 40 haben einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 60;
auf diesem gemeinsamen Leitungsabschnitt 60 sind die beiden
Ansteuerleitungen 20 und 40 durch einen einzigen
Leiter bzw. eine einzelne Leitung gebildet. Die beiden Ansteuerleitungen 20 und 40 teilen
sich also diesen gemeinsamen Leitungsabschnitt 60.
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An einem optischen Ausgang A des
Hilfslasers 50 ist ein Ende einer optischen Übertragungsleitung 100,
z. B. einer Glasfaser oder eine Polymerleitung, an den Hilfslaser 50 angeschlossen.
Diese Übertragungsleitung 100 ist
mit ihrem anderen Ende mit einem ersten Anschluss 110 eines
faseroptischen Teilers verbunden. Ein zweiter Anschluss 130 des
faseroptischen Teilers 120 ist an einen optischen Ausgang
B des Hauptlasers 30 angeschlossen. Ein dritter Anschluss 140 des
faseroptischen Teilers 120 bildet den optischen Ausgang 150 einer
durch den Signalgenerator 10, die beiden Laser 30 und 50 und
den faseroptischen Teiler 120 gebildeten Vorrichtung 160 zum
Erzeugen jitterarmer optischer Laserpulse Po.
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Die Vorrichtung 160 wird
wie folgt betrieben:
An einem Eingang E10 des Signalgenerators 10 wird ein
Trigger- oder Synchronisationssignal T an den Signalgenerator 10 angelegt.
Bei Eingang des Triggersignals T erzeugt der Signalgenerator 10 einen gaussförmigen Puls
P vorgegebener Länge;
dieser Puls P bildet ein elektrisches Steuersignal St für den Hauptlaser 30 und
ein elektrisches Hilfssteuersignal HSt für den Hilfslaser 50.
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Aufgrund der Leitungslänge L1 der
ersten Ansteuerleitung 20 benötigt das Steuersignal St eine Laufzeit Δte1, um von dem Signalgenerator 10 zum dem
Hauptlaser 30 zu gelangen.
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Das Hilfssteuersignal HSt benötigt für seinen Weg über die
zweite Ansteuerleitung 40 mit der Länge L2 eine Laufzeit von Δte2.
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Wenn nun das Hilfsteuersignal NSt
im Hilfslaser 50 eintrifft, werden im Hilfslaser 50 Elektron-Lochpaare
erzeugt. Sobald die Besetzungsinversion im Hilfslaser 50 erreicht
ist, beginnt der Laserbetrieb des Hilfslasers 50 und am
Ausgang A wird ein optischer Injektionspuls I abgegeben.
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Die Zeitspanne, die zwischen dem
Eintreffen des Hilfssteuersignals NSt und dem Erreichen der Besetzungsinversion
bzw. der Abgabe des optischen Injektionspulses I vergeht,
soll nachfolgend als Δti2 bezeichnet werden.
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Der so im Hilfslaser 50 erzeugte
optische Injektionspuls I gelangt nun über die optische Übertragungsleitung 100 zum
faseroptischen Teiler 120 und von dort zum Hauptlaser 30.
Für diese
Strecke vom Hilfslaser 50 bis zum Hauptlaser 30 benötigt der
optische Injektionspuls I die Zeit Δto2.
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Die Vorrichtung 160 gemäß der Figur
ist nun so dimensioniert, dass in dem Hauptlaser 30 zum Zeitpunkt
des Eintreffens des Injektionspulses I gerade Besetzungsinversion
erreicht ist; das heißt,
dass der Hauptlaser kurz davor steht, selbst in den Laserbetrieb überzugehen.
Wie diese „Dimensionierung" der Vorrichtung 160 erreicht
wird, soll nun im Detail erläutert
werden:
Wie bereits beschrieben, vergeht von dem Zeitpunkt, an
dem das Hilfssteuersignal NSt erzeugt wurde, bis zu dem Zeitpunkt,
an dem der optische Injektionspuls I den Hauptlaser 30 erreicht,
eine Zeitspanne Δtges2, die sich zusammensetzt gemäß: Δtges2 = Δte2 + Δti2 + Δto2.
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Das Steuersignal St benötigt auf
der ersten Ansteuerleitung 20 für seinen Weg vom Signalgenerator 10 zum
Hauptlaser 30 eine Zeitspanne Δte1. Nach
der „Ankunft" des Steuersignals
St werden in dem Hauptlaser 30 Elektron-Lochpaare generiert, weil
aufgrund des Steuersignals St ein entsprechender Strom durch den
Hauptlaser 30 fließt.
Die Zeitspanne bis zum Vorliegen einer Besetzungsinversion im Hauptlaser 30 soll
nun mit Δti1 bezeichnet werden.
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Wenn nun also erreicht werden soll,
dass im Hauptslaser 30 Besetzungsinversion gerade dann erreicht
wird, wenn der optische Injektionspuls I im Hauptlaser 30 eintrifft,
muss folgende Bedingung erfüllt
sein: Δte1 + Δti1 = Δtges2 = Δte2 + Δti2 + Δto2.
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Da Δti1 ungefähr so groß ist, wie Δti2 und darüber gilt:
Δti1 << Δte1 und Δti2 << Δte2 + Δto2,
kommt man zu der vereinfachten Bedingung:
Δte1 = Δte2 + Δto2
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Diese vereinfachte Bedingung bedeutet
also, dass die Laufzeit des elektrischen Steuersignals St angepasst
sein soll an die Laufzeitsumme, die sich durch Addition von Δte2 und Δto2 ergibt.
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Eine Anpassung der Laufzeiten kann
nun in unterschiedlicher Weise erfolgen: So kann die Anpassung beispielsweise über die
Auswahl der elektrischen Eigenschaften der beiden elektrischen Ansteuerleitungen
erfolgen, indem beispielsweise die Dielektrika in den Leitungen
und damit die Dielektrizitätszahlen
geeignet gewählt
werden, woraus sich unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten der
elektrischen Signale auf den Ansteuerleitungen ergeben würden.
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Denkbar ist aber auch eine Anpassung über die
Auswahl der Längen
der beiden elektrischen Ansteuerleitungen. Dies soll nun nachfolgend
an einem Beispiel näher
erläutert
werden, bei dem angenommen wird, dass der optische Injektionspuls I über eine Glasfaser
mit einer Länge
L3 (Brechzahl n = 1,5) übertragen
wird. Die elektrischen Ansteuerleitungen sollen der Einfachheit
halber Koaxialleiter ohne Dielektrikum sein: Δte1 = Δte2 + Δto2
L1/c = L2/c + L3/(c/n)⇒ L1 = L2
+ n·L3
= L2 + 1,5·L3
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Im Ergebnis kann die Laufzeitanpassung also
erreicht werden, indem die Länge
L1 der ersten Ansteuerleitung 20 geeignet gewährt wird.
Statt dessen kann natürlich
auch die Länge
L2 der zweiten Ansteuerleitung 40 oder die Länge L3 der
optischen Übertragungsstrecke 100 entsprechend
angepasst werden.
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Eine Feinanpassung der Laufzeiten
lässt sich
in vorteilhafter Weise mit einem Phasenschieber oder einer Verzögerungsleitung
erreichen. Dabei kann es sich um einen elektrischen Phasenschieber oder
eine elektrische Verzögerungsleitung
handeln, der bzw. die in der ersten oder in der zweiten Ansteuerleitung 20 bzw. 40 angeordnet
ist, oder um einen optischen Phasenschieber oder eine optische Verzögerungsleitung
in der optischen Übertragungsstrecke 100.
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- 10
- Signalgenerator
- 20
- Erste
Ansteuerleitung
- 30
- Hauptlaser
- 40
- Zweite
Ansteuerleitung
- 50
- Hilfslaser
- 60
- Gemeinsamer
Leitungsabschnitt
- 100
- Optische Übertragungsleitung
- 110
- Erster
Anschluss eines faseroptischen Teilers
- 120
- Faseroptischer
Teiler
- 130
- Zweiter
Anschluss des optischen Teilers
- 140
- Dritter
Anschluss des faseroptischen Teilers
- 150
- Ausgang
der Vorrichtung
- 160
- Vorrichtung
- A
- Optischer
Ausgang des Hilfslasers
- B
- Optischer
Ausgang des Hauptlasers
- T
- Triggersignal
- I
- Optischer
Injektionspuls
- Po
- Optische
Laserpulse
- St
- Steuersignal
- NSt
- Hilfssteuersignal
- L1,
L1, L3
- Längen
- E10
- Eingang
des Signalgenerators
- Δte1
- Laufzeit über die
erste Ansteuerleitung
- Δte2
- Laufzeit über die
zweite Ansteuerleitung
- ΔtI1
- Zeit
zum Erreichen der Besetzungsinversion im Hauptlaser
- Δti2
- Zeit
zum Erreichen der Besetzungsinversion im Hilfslaser
- Δto2
- Zeit
für die Übertragung
des optischen Injektionssignals I zum Hauptlaser