DE19509922C2

DE19509922C2 - Abstimmvorrichtung für einen Halbleiterlaser mit externem Resonator

Info

Publication number: DE19509922C2
Application number: DE19509922A
Authority: DE
Inventors: Joachim Sacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-18
Filing date: 1995-03-18
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2015-03-19
Also published as: DE19509922A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstimmvorrichtung für einen Laser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Durch eine in Flußrichtung betriebene Halbleiterdiode kann man mit stimulierter Emission kohärentes Licht erzeugen und gerichtet abstrahlen. Der Wellenlängenbereich, innerhalb dessen Verstärkung von Licht auftritt, ist durch die jeweilige Stöchiometrie und die mikroskopische Struktur des Halbleitermaterials bestimmt. Er beträgt typisch zwischen 10 und 120 nm. Sogenannte "Quantum Well" (QW)-Halbleiterlaserdioden mit mehreren quantisierten Energieniveaus (Subband- Niveaus) im Leitungs- und Valenzband besitzen eine im Vergleich zur herkömmlichen Halbleiterlaserdiode um einen Faktor bis zu vier größere spektrale Bandbreite, jedoch zeig der spektrale Verlauf des Brechungsindex aufgrund dieses Verstärkungsmechanismus erhebliche Nichtlinearitäten. Aufgrund des durch die Endflächen des Halbleiterkristalls gebildeten Resonators von typisch 150 bis 500 µm Länge sind longitudinale Schwingungsmoden definiert, von denen eine oder mehrere angeregt sein können.

Für einige Anwendungen von Halbleiterlasern ist es notwendig, optische Elemente in den Laserresonator einzubringen. Dieses wird mit Hilfe eines externen Resonators ermöglicht, wobei im allgemeinen ein Endspiegel des Laserresonators mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, das dort emittierte Licht kollimiert und mittels eines separaten (externen) Resonatorendspiegels in den Halbleiterlaser zurückgekoppelt wird.

Mit einem externen Resonator, der ein wellenlängenselektives Element enthält, z. B. ein optisches Beugungsgitter, läßt sich die Emissionswellenlänge über den Verstärkungsbereich des Lasers abstimmen. Man kann etwa nach Littrow ein optisches Beugungsgitter als Resonatorendspiegel einsetzen, so daß die Richtung des einfallenden und des an Gitterfurchen rückgestreuten und positiv interferierenden Lichts zusammenfallen.

Eine um den Faktor 4 bis 7 größere ausgeleuchtete Fläche des Gitters und daher eine um den gleichen Faktor erhöhte Spektrale Selektivität des Gitters erzielt man nach Littman mit einem gefalteten Resonator, wobei ein wellenlängenselektives Echellette- Gitter zugleich als Umlenkspiegel und Auskoppelspiegel wirkt. Diese Anordnung ermöglicht eine entsprechend größere Länge des Resonators, der dadurch z. B. weit weniger empfindlich gegen akustische Störungen ist.

Wird beim Abstimmen der Emissionswellenlänge des Lasersystems die Resonatorlänge konstant gehalten, so ändert sich die Anzahl m der Knoten der stehenden Lichtweile im Resonator, was als Modensprung bezeichnet wird. Dies hat zur Folge, daß die Wellenlänge nicht kontinuierlich abstimmbar ist, sondern in diskreten Schritten springt, was unter anderem zu großen Fluktuationen in der Ausgangsleistung des Lasers führt. Modensprünge können vermieden werden, indem man beim Wellenlängenabstimmen die optische Resonatorlänge L_opt so variiert, daß die hierdurch bestimmte Wellenlänge λ_R der durch das Gitter bestimmten Wellenlänge λ_G nachgeführt wird. Formal muß die Bedingung

erfüllt bleiben.

Bei Halbleiterlasern muß hierfür die chromatische Dispersion des Halbleiterlasermaterials berücksichtigt werden. So beschreibt Luecke in WO 94/08371 A1 eine derartige Abstimmvorrichtung in Littman-Anordnung mit einem ortsfest angeordneten Halbleiterlaser, einem ortsfest angeordneten Gitter und einem Resonatorendspiegel, der auf einem schwenkbaren Arm montiert und mit einer Stellschraube abgestützt ist. Bei geeigneter Lage der Schwenkachse ist die Spiegeldrehung und damit die Variation der durch das Gitter bestimmten Wellenlänge so mit der Änderung der geometrischen Resonatorlänge verknüpfbar, daß lineare und quadratische Beiträge der chromatischen Dispersion des Halbleiterlasers zur Resonatorlänge kompensiert werden können.

Die Erfindung hat die allgemeine Zielsetzung, Mittel zur Erzeugung von kohärentem Licht mit kontinuierlich abstimmbarer Wellenlänge zu schaffen. Angestrebt wird ferner eine einfache Vorrichtung zum modensprungfreien Durchstimmen eines Halbleiterlasers mit möglichst großem Verstärkungsbereich unter weitestgehender Kompensation von Nichtlinearitäten der chromatischen Dispersion des eingesetzten Halbleiterlasers.

Die Merkmale der Erfindung sind im Oberbegriff und kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.

Bei einer Abstimmvorrichtung für einen Laser, bestehend aus einem Halbleiterlaser mit einer Antireflexionsbeschichtung, wenigstens einer optischen Transmissions- Komponente, einem optischen Gitter und einem Resonatorendspiegel, in Littman- Anordnung, sowie mit einer Stelleinrichtung und Justiermitteln für den Resonatorendspiegel zur Synchronisation der Resonatorwellenlänge mit der Gitterwellenlänge, wobei eine Änderung der geometrischen Resonatorlänge und eine Änderung der Winkelbeziehung zwischen Gitter und Spiegel mechanisch verknüpft sind, sieht die Erfindung gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 vor, daß der Halbleiterlaser in bezug auf das Gitter abstandsveränderlich angeordnet und mit dem auf einem Träger befestigten Spiegel durch ein entlang eines Hebels verschiebbares Koppelglied winkelveränderlich verbunden ist wobei der Träger um eine in der Gitterebene parallel zu Gitterfurchen liegende Drehachse schwenkbar ist, und wobei der Hebel in festem Winkel zur Normalen der Translationsrichtung des Halbleiterlasers senkrecht zur Drehachse liegt, und wobei zur Synchronisation der Resonatorwellenlänge mit der Gitterwellenlänge bei einer Translation des Halbleiterlasers um eine Strecke ein Winkel zwischen der Gitternormalen und der Translationsrichtung, der Winkel zwischen dem Hebel und der Normalen der Translationsrichtung und/oder ein Winkel zwischen der Spiegelnormalen und der Verbindungslinie von der Drehachse des Gitters zu dem Koppelglied einstellbar sind.

Dies ist gewissermaßen eine Umkehr der herkömmlichen Verfahrensweise, die auf den Ausgleich mehr oder weniger undefiniert vorhandener, unvermeidlicher Nichtlinearitäten gerichtet war. Mit dem überraschenden Schritt, den Spiegelwinkel mechanisch mit kontrollierten Nichtlinearitäten zu steuern, werden die Kompensationsmöglichkeiten der chromatischen Dispersion des Halbleitermaterials grundlegend verbessert. Insbesondere ist es hierdurch möglich, den Verlauf des Spiegelwinkels mechanisch so exakt anzusteuern, daß die durch das Gitter bestimmte Wellenlänge derjenigen des Resonators entsprechend der Bedingung (1) genau folgt. Eine Abstandsänderung des Kollimators relativ zum Gitter verändert die wirksame Resonatorlänge und damit die durch den Resonator bestimmte Wellenlänge, während die Winkeländerung mit Hilfe des verschiebbaren Koppelgliedes zur Synchronisation mit der durch das Gitter bestimmten Wellenlänge dient. Diese neuartige Anordnung ist mit einfachen Mitteln realisierbar.

Konstruktiv ist es günstig, wenn der Spiegel auf einem Träger befestigt ist, der um eine in der Gitterebene parallel zu Gitterfurchen liegende Drehachse schwenkbar ist und an einem Hebel verschieblich angreift. Letzterer ist mithin ein Gleitarm, der im festen spitzen Winkel zur Normalen zu einer Verschieberichtung des Kollimators stehen kann, die in einer die Drehachse enthaltenden Ebene liegt.

Bevorzugt ist das Koppelglied laut Anspruch 2 ein auf dem Hebel gleitgeführtes Schiebegelenk. Das kann ein besonderes Bauteil sein, doch sieht die Erfindung auch vor, eine (Teil-) Kugelfläche auf einer Ebene gleiten und kippen zu lassen (vergl. Anspruch 3). Man erkennt, daß sich auf diese Weise mit übersichtlicher Konstruktion gute Wahlmöglichkeiten für die verschiedenen Einstellparameter gewinnen lassen.

Die Verwendung eines Schiebegelenks ist zwar an sich bereits vorgeschlagen worden, wie aus F. Favre/D. Le Guen, Electron. Lett. 27 (2), S. 183 f. (17.01.1991) hervorgeht. Die dort unter dem Titel "82 nm of continuous tunability for an external cavity semiconductor laser" beschriebene Anordnung benutzt jedoch eine Direktansteuerung des Gitters durch das Schiebegelenk, während die vorliegende Erfindung das auf dem Hebel gleitgeführte Schiebegelenk zur Ansteuerung des Resonatorendspiegels benutzt, also in einem ganz anderen Winkelbereich. Der zwischen der Gleitfläche und der Normalen zur Ausbreitungsrichtung gegebene Winkel steht hier im Zusammenhang mit dem Gitterwinkel θ₁ und liegt nahe bei 90 - θ₁. In der Anordnung nach Favre, mit der keine gute Ausleuchtung der Gitterfläche verbunden ist, liegt der Winkel zwischen der Gleitfläche und der Normalen zur Ausbreitungsrichtung des Lichts im Resonator nahe bei 0°.

Anspruch 4 sieht vor, daß der mit dem Halbleiterlaser starr verbundene Kollimator mittels eines elektrischen Antriebs kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich verschiebbar ist, vorzugsweise mittels einer piezoelektrischen Stelleinheit oder eines Motors. Bei genügend feinstufiger Auflösung oder zum gezielten Anfahren eines Stellbereiches kann alternativ auch ein Schrittmotor eingesetzt werden.

Sehr vorteilhaft ist ein Aufbau gemäß Anspruch 5, wonach der Träger ein dreh- oder schwenkbarer Arm ist, der sich mit zwei Kugeln auf wenigstens einem Block abstützt. Dies erfordert geringen mechanischen Aufwand, gewährleistet aber eine stabile Anordnung mit exakten Positioniermöglichkeiten. Dasselbe gilt für die Anordnung von Anspruch 6, wonach das Gitter in einem Gitterhalter mit zwei Kugeln auf einem Block abgefedert so gelagert ist, daß seine Drehachse mit jener des Trägers zumindest im wesentlichen zusammenfällt.

Nach Anspruch 7 kann der Spiegel in einem Spiegelhalter sitzen, der wenigstens zwei Verstell-Freiheitsgrade z. B. in zueinander senkrechten Richtungen hat und in Richtung der optischen Achse verstellbar ist, beispielsweise mittels dreier Mikrometerschrauben. Dadurch ist es möglich, die wirksame Teillänge des externen Resonators bequem und mit geringsten Unsicherheiten zu verändern. Analog kann laut Anspruch 8 der Hebel auf einem Hebelhalter abgefedert befestigt sein, der zur Voreinstellung von Basisgrößen wie Winkel und Länge namentlich mittels dreier Mikrometerschrauben justierbar ist.

Nach Anspruch 9 ist vorgesehen, daß der Halbleiterlaser auf einem in Translationsrichtung linear beweglichen Verschiebetisch und der Spiegel auf einem Träger befestigt ist, der über ein Schiebegelenk mit dem auf dem Verschiebetisch in festem Winkel zur Normalen der Translationsrichtung starr befestigten Hebel gekoppelt ist. Man erkennt, daß in dieser Weise eine Arbeitsebene mechanisch definiert ist, in der die erforderlichen Einstellungen zur Kompensation der durch die Nichtlinearitäten im spektralen Verlauf der chromatischen Dispersion verursachten Nichtlinearitäten der Resonatorlänge effektiv vorgenommen werden können.

Von grundsätzlicher Bedeutung ist ferner die Abstimmvorrichtung gemäß Anspruch 10, welcher vier maßgebliche Einstellparameter festlegt. Während die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell auch bei anderen Lichtquellen und bei herkömmlichen Halbleiterlasern einsetzbar ist, sind die Vorzüge am offensichtlichsten, wenn der Halbleiterlaser laut Anspruch 11 vom Typ "Quantum Well (QW)" mit zwei oder mehr quantisierten Energieniveaus im Leitungs- und Valenzband ist. Es ergibt sich der große Vorteil, daß sich Nichtlinearitäten bis zur Ordnung (Δl)⁴ ausgleichen lassen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 ein optisches Prinzipschema einer Abstimmvorrichtung;

Fig. 2 ein geometrisch-optisches Schema entsprechend Fig. 1;

Fig. 3 eine Abstimmvorrichtung (a) in Seitenansicht, (b) in Stirnansicht, (c) in Draufsicht;

Fig. 4 eine Gitterhalteranordnung (a) in Stirnansicht, (b) in Teil-Draufsicht und

Fig. 5 eine Spiegelhalterung (a) in Seitenansicht (b) in Aufsicht.

Das in Fig. 1 dargestellte zweidimensionale Prinzipschema stellt eine Vorrichtung zum modensprungfreien Wellenlängenabstimmen eines Halbleiterlasers mit externem Resonator dar. Der hierfür eingesetzte Laserresonator in Littman- Anordnung besteht aus Halbleiterlaser LD mit Antireflexionsbeschichtung AR, Kollimationsoptik KO, Reflexionsbeugungsgitter G mit der Normalenrichtung NG und hochreflektierendem Resonatorendspiegel S mit der Normalenrichtung NS. Die zu der Lasereinheit LE zusammengefaßten Komponenten Halbleiterlaser LD und Kollimationsoptik KO sind so angeordnet, daß das von der antireflexions beschichteten Laserfacette ausgehende licht LS auf das optische Reflexions beugungsgitter G trifft. Die 0. Beugungsordnung B0 des Gitters G wird aus dem Resonator als nutzbares Licht ausgekoppelt, während die 1. Beugungsordnung B1 senkrecht auf den Resonatorendspiegel S trifft. Das hier reflektierte Licht wird via Gitter G und Kollimationsoptik KO wieder in den Laser LD zurückgekoppelt.

Die Lasereinheit LE befindet sich auf einem Verschiebetisch V. Diese Baugruppe trägt einen als geraden Gleitarm ausgebildeten Hebel H, der in spitzem Winkel ϕ zur Normalen NT der Translationsrichtung fest montiert und mithin parallel verschiebbar angeordnet ist. Die Lasereinheit LE ist so ausgerichtet, daß die Richtung des von der antireflexionsbeschichteten Laserfacette ausgehenden Laserlichts LS identisch mit der Translationsrichtung T des Verschiebtischs V ist.

Der von der Lasereinheit LE ausgehende Lichtstrahl LS trifft auf das Gitter G, dessen Furchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts ausgerichtet sind. Das Gitter G ist drehbar gelagert; seine Drehachse C ist bestimmt durch die Position des Schwerpunktes des Laserstrahls auf der Gitterebene und durch die Bedingung, daß sie parallel zu den Gitterfurchen sein soll.

Um die gleiche Drehachse, nun mit D bezeichnet, ist ein Arm A schwenkbar gela gert, der den darin fest angebrachten Resonatorendspiegel S trägt und über ein Schiebegelenk SG verschiebbar an dem Hebel H angreift. Die Normalenrichtung NS des Spiegels S ist identisch mit der Ausbreitungsrichtung des Laserlichts LS zwischen Spiegel S und Gitter G und steht allgemein in einem kleinen Winkel zu der Verbindungslinie AL zwischen der Drehachse D des Arms A und dem Schiebegelenk SG.

Die zur formalen Beschreibung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung maßgeb lichen geometrisch-optischen Größen sind in Fig. 2 angegeben. Zur besseren Übersicht sind die einzelnen Elemente des Resonators und der Vorrichtung zur Ansteuerung des Resonatorendspiegels auf die für die Beschreibung relevanten geometrischen Kenndaten reduziert und in einem zweidimensionalen Koordina tensystem dargestellt. Die Y-Achse ist die Translationsrichtung T des Halbleiter lasers, die X-Achse gibt die Normale NT zur Translationsrichtung T an. Der optische Resonator erstreckt sich von der dem externen Resonator abgewandten Spiegelfacette RS des Halbleiterlasers über das auf den Drehpunkt C reduzierte Gitter bis zu der Oberfläche SR des externen Resonatorendspiegels S. Die geometrische Länge des Laserresonators setzt sich aus der Länge L₁ der Strecke RS, C und der Länge L₂ der Strecke C, SR zusammen. Der Einfallswinkel des vom Halbleiterlaser auf das Gitter treffenden Lichts wird mit θ₁ und der Ausfalls winkel des vom Gitter in die erste Ordnung gebeugten Lichts mit θ₂ + δθ bezeich net. Die Vorrichtung zum Ansteuern der durch das Gitter G bestimmten Wellen länge λ_G besteht aus dem Arm A von der Länge h, der im Punkt D drehbar gelagert ist und an dem der Resonatorendspiegel S befestigt ist, sowie aus dem Hebel H, der mit dem Halbleiterlaser fest verbunden ist und die X-Achse im Ursprung unter dem Winkel ϕ schneidet. Die Position des Schiebegelenks SG ergibt sich formal als Schnittpunkt eines Kreises vom Radius h um dem Punkt D mit der den Hebel symbolisierenden Linie H. Der Abstand des Schiebegelenks SG von der Gitternormalen wird mit l bezeichnet. Der Winkel zwischen der Verbin dungslinie AL der Punkte D, SG und der Gitternormalen NG ist als θ₂ definiert. Der Winkel zwischen Spiegelnormalen NS und der Verbindungslinie AL wird mit δθ bezeichnet.

Der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung zum modensprungfreien Wellen längenabstimmen wird anhand des Ausführungsbeispiels von Fig. 3a bis c erläu tert. Fig. 3a zeigt den Aufbau in der Seitenansicht, Fig. 3b in der Frontansicht und Fig. 3c in der Aufsicht. Fig. 4 und Fig. 5 zeigen Detailllösungen.

In Fig. 3 erkennt man, daß eine Grundplatte P auf ihrer oberen Fläche F mit dem Verschiebetisch V verschraubt ist, auf dem die Lasereinheit LE bestehend aus einseitig antireflexionsbeschichtetem Halbleiterlaser LD und Kollimationsoptik KO starr befestigt ist. Die Kollimationsoptik KO weist eine einfache Bikonvexlinse oder ein mehrlinsiges Objektiv auf und kann noch Transmissionselemente zur Korrektur des Astigmatismus und der Form des Laserstrahls enthalten. Die hier durch definierte optische Achse OA ist identisch mit der Ausbreitungsrichtung des Laserlichts und verläuft in Transmissionsrichtung des Verschiebetischs V parallel zur Oberfläche F der Grundplatte P.

Auf einem mit der Grundplatte P starr verbundenen Blockpaar B stützt sich ein Gitterhalter GH und ein Arm A ab, der einen Spiegelhalter SH mit einem Resona torendspiegel S trägt. Wie man anhand von Fig. 3b und Fig. 4a, b erkennt, ist der Gitterhalter GH so abgestuft, daß das Gitter G in einer Vertiefung des Gitterhalters GH sitzt, der an beiden Enden mit je einer Kugel GK auf dem zugehörigen Block B drehbar gelagert ist. Eine Mikrometerschraube GM erlaubt eine Winkeländerung des Gitterhalters GH und damit eine Änderung des Winkels zwischen optischer Achse OA und Gitter G. Die Abstufung des Gitterhalters sichert den Verlauf der Drehachse C des Gitters in der Gitterebene. Federn (nicht dargestellt) sichern den festen Halt des Gitterhalters GH auf dem Blockpaar B.

Senkrecht zur optischen Achse OA verlaufen die (in Fig. 4 weggelassenen) Furchen des Gitters G, an denen das einfallende Laserlicht gebeugt wird. Während die 0. Beugungsordnung B0 als nutzbares Laserlicht ausgekoppelt wird, trifft der Licht der 1. Beugungsordnung B1 auf den im Spiegelhalter SH ange brachten Spiegel S (vgl. Fig. 1). Drei Mikrometerschrauben MS ermöglichen es, den Spiegel S in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen zu kippen und bei gleichzeitiger Betätigung aller drei Mikrometerschrauben MS den Spiegel S in Richtung der optischen Achse OA so zu verschieben, daß die in Fig. 2 mit L₂ bezeichnete Teillänge des externen Resonators verändert werden kann.

Der Arm A ist mit zwei Kugeln AK und einer Anzahl von (nicht gezeichneten) Federn auf dem Blockpaar B befestigt. Dabei sind die Kugeln AK so positioniert, daß die Drehachse D - identisch mit der Drehachse C des Gitterhalters - in der Ebene der Gitterfurchen liegt und die optische Achse OA senkrecht schneidet. Die erwähnten z. B. vier Federn gewährleisten den sicheren Halt des Arms A auf dem Blockpaar B.

Auf dem in Fig. 3 dargestellten Verschiebetisch V ist ein Hebelhalter HH fest montiert, auf dem der Hebel H mit drei Mikrometerschrauben HM und zwei (nicht dargestellten) Federn befestigt ist. Damit kann der Winkel ϕ sowie die Translation des Hebels H in Y-Richtung vorgegeben werden, so daß eine gewünschte Ausgangswellenlänge λ_G und damit eine gewünschte Zahl m der Wellenknoten im Resonator eingestellt werden kann.

Der Arm A liegt an dem Hebel H mit dem eine Kugelfläche aufweisenden Ende E einer Mikrometerschraube SM an der Gleitfläche GF des Hebels H an. Diese Anordnung erlaubt es, den in Fig. 2 definierten Winkel δθ bequem zu justieren.

Das Wellenlängenabstimmen wird bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung durch Translation des Verschiebetischs V bewirkt. Hierdurch wird der Hebel H parallel versetzt mit der Folge, daß sich das Schiebegelenk SG entlang des Hebels H verschiebt und dadurch der Arm A um die Drehachse D schwenkt. Da der Spiegel S fest mit dem Arm A verbunden ist, verändert sich der Winkel δθ + θ₂ zwischen der Spiegelnormalen NS und der Gitternormalen NG, wodurch die von dem Gitter G bestimmte Wellenlänge λ_G variiert. Gleichzeitig wird der auf dem Verschiebetisch V befestigte Halbleiterlaser LD in Translationsrichtung T verschoben. Dies hat eine Variation der durch die Resonatorlänge bestimmten Wellenlänge λ_R zur Folge. Zum modensprungfreien Wellenlängenabstimmen ist es notwendig, die Änderung der Gitterwellenlänge λ_G mit der Resonatorwellen länge λ_R zu synchronisieren, und zwar unter Berücksichtigung der chromatischen Dispersion der Medien im Resonator. Der mit Abstand bedeutendste Beitrag wird durch die chromatische Dispersion der Halbleiterlaserdiode LD hervorgerufen.

Aufgrund der chromatischen Dispersion der Medien im Resonator ist die optische Länge des Resonators allgemein verschieden von der geometrischen Resonator länge und abhängig von der Wellenlänge λ des Lichts im Resonator. Die optische Länge des Resonators setzt sich aus der optischen Länge der Halbleiterlaser diode, der optischen Länge der Kollimationsoptik, der optischen Länge von weiteren möglichen Transmissionskomponenten und der optischen Länge der freien Wegstrecken zwischen RS und C sowie zwischen C und SR zusammen. Eine Variation der durch die Resonatorlänge bestimmten Wellenlänge λ_R bei Translation des Halbleiterlasers LD wird gemäß Fig. 2 durch Translation der schematisch angedeuteten rückseitigen Spiegelfacette RS in Richtung der Y- Achse erreicht. Die Änderung der relevanten optischen Resonatorlänge steht aufgrund der chromatischen Dispersion der Medien im Resonator in einem nicht linearen Zusammenhang mit der Änderung der geometrischen Resonatorlänge. Würde dieser Einfluß der chromatischen Dispersion bei der Ansteuerung der durch das Gitter bestimmte Wellenlänge λ_G nicht berücksichtigt, so wäre moden sprungfreies Wellenlängenabstimmen nur in sehr schmalem Bereich möglich. Erfindungsgemäß werden gezielt und kontrolliert nichtlineare Beiträge in dem Zusammenhang zwischen der Translation des Halbleiterlasers LD und der durch das Gitter bestimmten Wellenlänge λ_G erzeugt, so daß die nichtlinearen Beiträge zu der durch die Resonatorlänge bestimmten Wellenlänge λ_R systematisch kompensiert werden, die durch die chromatische Dispersion der Medien im Resonator verursacht sind. Dies wird mit Hilfe von Einstellparametern L₂, δθ, θ₁ und ϕ realisiert, deren physikalische Bedeutung im folgenden dargelegt wird.

Die Emissionswellenlänge des Lasersystems wird durch die Translation des Verschiebetisches variiert. Formal ergibt sich der folgende Zusammenhang zwischen Änderung ΔL der Position des Verschiebtischs, der Änderung Δλ_R der Resonatorwellenlänge λ_R und der Änderung Δλ_G der Gitterwellenlänge λ_G,

Δλ_R = r(ΔL) = r⁽¹⁾.(ΔL) + r⁽²⁾.(ΔL)² + r⁽³⁾.(ΔL)³ + r⁽⁴⁾.(ΔL)⁴ + . . . (2)

Δλ_G = g(ΔL) = g⁽¹⁾.(ΔL) + g⁽²⁾.(ΔL)² + g⁽³⁾.(ΔL)³ + g⁽⁴⁾.(ΔL)⁴ + . . . (3)

wobei die Entwicklungskoeffizienten r⁽¹⁾, . . ., g⁽⁴⁾ Funktionen von L₂, δθ, θ₁ und ϕ sind. Mit Hilfe dieser Bezeichnungen soll jetzt die Wirkungsweise der Einstell parameter L₂, δθ, θ₁ und ϕ vorgestellt werden.

1. L₂: Bei fester Gitterwellenlänge λ_G bestimmt die Wahl der Teillänge L₂ die Anzahl m der Wellenknoten im Resonator. 2/m ist die Proportionalitätskon stante zwischen der durch die Translation ΔL des Verschiebetischs verur sachten Änderung der optischen Resonatorlänge und der Änderung Δλ_R der hierdurch bestimmten Wellenlänge λ_R. Da die Änderung Δλ_G der durch das Gitter bestimmten Wellenlänge λ_G unabhängig von L₂ ist, kann im Fall des dispersionsfreien Laserresonators durch die Wahl von L₂ die Änderung Δλ_R der Resonatorwellenlänge λ_R mit der Änderung Δλ_G der Gitterwellenlänge λ_G synchronisiert werden. Im Fall eines Laserresonators, der chromatisch dispersive Medien enthält, können durch die Wahl von L₂ dispersive Beiträge, die proportional zur Änderung der Wellenlänge sind, ausgeglichen werden.
2. δθ: Die Wahl des Winkels δθ ≠ 0 führt zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Änderung ΔL der Position des Verschiebetischs (in Transla tionsrichtung) und der Änderung der Gitterwellenlänge λ_G. Der Wert der Entwicklungskoeffizienten g⁽¹⁾, g⁽²⁾, g⁽³⁾, g⁽⁴⁾, . . . wird jeweils durch den Wert des Winkels δθ bestimmt; insbesondere sind g⁽²⁾, g⁽³⁾, g⁽⁴⁾, . . . proportional zu sin δθ. Durch die gemeinsame Wahl von L₂ und δθ kann die chromatische Dispersion des Lasermediums, die formal durch die Entwicklungskoeffi zienten r⁽¹⁾, r⁽²⁾, r⁽³⁾, r⁽⁴⁾, . . . beschrieben wird, bis einschließlich der zweiten Ordnung kompensiert werden.
3. θ₁: Die Wahl des Winkels θ₁ bestimmt den Wert der Verhältnisse g⁽¹⁾ : g⁽²⁾, g⁽²⁾ : g⁽³⁾, g⁽³⁾ : g⁽⁴⁾, . . .. Durch die gemeinsame Wahl von L₂, δθ und θ₁ kann die chromatische Dispersion des Lasermediums bis einschließlich der dritten Ordnung kompensiert werden.
4. ϕ: Die Wahl des Winkels ϕ ≠ 90° - θ₁ ergibt eine weiteres Bestimmungsver fahren für den Wert der Verhältnisse g⁽¹⁾ : g⁽²⁾; g⁽²⁾ : g⁽³⁾; g⁽³⁾ : g⁽⁴⁾; . . .. Durch die gemeinsame Wahl von L₂, δθ, θ₁ und ϕ kann die chromatische Dispersion des Lasermediums bis einschließlich der vierten Ordnung kompensiert werden.

Mit den hier vorgestellten Freiheitsgraden ist es möglich, die Emissionswellen länge von Quantum-Well-Halbleiterlaserdioden mit mehreren Subbandniveaus über den gesamten Verstärkungsbereich modensprungfrei abzustimmen.

Werden herkömmliche Halbleiterlaserdioden mit geringeren Nichtlinearitäten im spektralen Verlauf der chromatischen Dispersion verwendet, so kann man auf einen Teil der Einstellmöglichkeiten verzichten. Beispielsweise kann sich dann eine Veränderlichkeit des Winkels δθ, des Gitterwinkels θ₁ oder des Winkels ϕ oder erübrigen.

Die Erfindung ist nicht auf die bisher beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So kann sich z. B. der Resonatorendspiegel S, statt wie bisher beschrieben auf einem drehbar gelager ten Arm A, auf einem Drehtisch befinden, dessen Drehachse D in gleicher Weise definiert ist. Wie man jedoch erkennt, beruhen wesentliche Vorteile darauf, daß bei einem durchstimmbaren Halbleiterlaser LD mit einer Antireflex-Schicht AR, einem Kollimator KO und einem externen optischen Gitterresonator G ein Endspiegel S zur Einstellung des Spiegelwinkels θ₂ relativ zur Gitternormalen NG mechanisch derart angesteuert wird, daß Nichtlinearitäten gezielt einführ- und kompensierbar sind. Der zum Gitter G abstandsveränderliche Kollimator KO ist mit dem End spiegel S winkelveränderlich durch ein entlang eines Hebels H verschiebbares Koppelglied SG verbunden. Ein Arm A für den Spiegel S ist um eine Drehachse D schwenkbar, die mit der Gitter-Drehachse C zusammenfällt und parallel zu Gitterfurchen verläuft. An dem Arm A greift mit einem gleitgeführten Schiebe gelenk SG ein Hebel H verschieblich an, der in spitzem Winkel ϕ, zur Verschiebe richtung T des Kollimators KO steht. Weitere Einstellparameter sind die Teillänge L₂ der Resonatorlänge L₁ + L₂, der Winkel δθ zwischen der Spiegelnormalen SN und der Verbindungslinie AL von der Gitter-Drehachse C zu dem Koppelglied SG, der Winkel θ₁ zwischen der Translationsrichtung T des Halbleiterlasers LD und der Normalen NG des Gitters G sowie der Winkel ϕ zwischen der Hebelgeraden H und der Normalen NT zur Translationsrichtung T. Der Halbleiterfaser LD ist bevorzugt vom Typ Single Quantum Well (SQW) oder Multi-Single Quantum Well (MSQW).

Bezugszeichenliste

h, l, L₁

, L₂

Maße
ΔL Änderung der Resonatorlänge
λ_G

Gitterwellenlänge
Δλ_G

;Änderung von IG
r⁽¹⁾

, . . ., r⁽⁴⁾

Entwicklungskoeffizienten
ϕ, θ₁

, θ₂

, δθ Winkel
λ_R

Resonatorwellenlänge
Δλ_R

Änderung von IR
g⁽¹⁾

, . . ., g⁽⁴⁾

Entwicklungskoeffizienten
A Arm
AK Kugeln
AL Verbindungslinie
AR Antireflexschicht
B Blockpaar
B0 0. Beugungsordnung
B1 1. Beugungsordnung
C Drehachse von A
D Drehachse von G
E Ende von SM
F Fläche
G Gitter
GF Gleitfläche
GH Gitterhalter
GK Kugeln
GM Mikrometerschraube
H Hebel
HH Hebelhalter
HM Mikrometerschraube
KO Kollimationsoptik
LD Halbleiterlaserdiode
LE Lasereinheit
LS Lichtstrahl
M Steilantrieb
MS Mikrometerschraube
NG Gitternormale
NS Spiegelnormale
NT Normale zu T
OA optische Achse
P Grundplatte
RS rückseitige Spiegelfacette
S Spiegel
SG Schiebegelenk
SH Spiegelhalter
SM Mikrometerschraube
SR Reflexionspunkt/-fläche
T Translationsrichtung von V
V Verschiebetisch
X Koordinatenrichtung (≘ = NT)
Y Koordinatenrichtung (≘ = T)

Claims

1. Abstimmvorrichtung für einen Laser, bestehend aus einem Halbleiterlaser (LD) mit einer Antireflexionsbeschichtung (AR), wenigstens einer optischen Transmissions-Komponente (KO), einem optischen Gitter (G) und einem Resonatorendspiegel (S), in Littman-Anordnung, sowie mit einer Stelleinrichtung und Justiermitteln für den Resonatorendspiegel (S) zur Synchronisation der Resonatorwellenlänge (λ_R) mit der Gitterwellenlänge (λ_G), wobei eine Änderung der geometrischen Resonatorlänge (L₁ + L₂) und eine Änderung der Winkelbeziehung zwischen Gitter (G) und Spiegel (S) mechanisch verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß
der Halbleiterfaser (LD) in bezug auf das Gitter (G) abstandsveränderlich angeordnet und mit dem auf einem Träger (A) befestigten Spiegel (S) durch ein entlang eines Hebels (H) verschiebbares Koppelglied (SG) winkelveränderlich verbunden ist,
wobei der Träger (A) um eine in der Gitterebene parallel zu Gitterfurchen liegende Drehachse (D) schwenkbar ist,
und wobei der Hebel (H) in festem Winkel (ϕ) zur Normalen (NT) der Trans lationsrichtung (T) des Halbleiterlasers (HL) senkrecht zur Drehachse (D) liegt,
und wobei zur Synchronisation der Resonatorwellenlänge (λ_R) mit der Gitterwellenlänge (λ_G) bei einer Translation des Halbleiterlasers (LD) um eine Strecke (ΔL) ein Winkel (θ₁) zwischen der Gitternormalen (NG) und der Translationsrichtung (T), der Winkel (ϕ) zwischen dem Hebel (H) und der Normalen (NT) der Translationsrichtung (T) und/oder ein Winkel (δϕ) zwischen der Spiegelnormalen (NS) und der Verbindungslinie (AL) von der Drehachse (C) des Gitters (G) zu dem Koppelglied (SG) einstellbar sind.

2. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied ein auf dem Hebel (H) gleitgeführtes Schiebegelenk (SG) ist.

3. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schiebegelenk (SG) von einer Mikrometerschraube (SM) gebildet ist, deren Ende (E) an einer Gleitfläche (GF) des Hebels (H) anliegt.

4. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (LD) mittels eines elektrischen Antriebs (M) kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich verschiebbar ist, vorzugsweise mittels einer piezoelektrischen Stelleinheit und/oder eines Motors.

5. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (A) ein dreh- oder schwenkbar gelagerter Arm ist, der sich mit zwei Kugeln (AK) auf wenigstens einem Block (B) abstützt.

6. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (G) in einem Gitterhalter (GH) mit zwei Kugeln (GK) auf einem Block (B) abgefedert so gelagert ist, daß seine Drehachse (C) mit der Drehachse (D) des Trägers (A) zumindest im wesentlichen zusammenfällt.

7. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (S) in einem Spiegelhalter (SH) sitzt, der wenigstens zwei Verstellfreiheitsgrade besitzt und in Richtung der ersten Beugungsordnung (B1) verstellbar ist.

8. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (H) auf einem Hebelhalter (HH) abgefedert so befestigt ist, daß der Winkel (ϕ) frei wählbar ist.

9. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (LD) auf einem in Trans lationsrichtung (T) linear beweglichen Verschiebetisch (V) und der Spiegel (S) auf einem Träger (A) befestigt ist, der über ein Schiebegelenk (SG) mit dem auf dem Verschiebetisch (V) in festem Winkel (ϕ) zur Normalen (NT) der Transla tionsrichtung (T) starr befestigten Hebel (H) gekoppelt ist.

10. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillänge (L₂) der Resonatorlänge (L₁ + L₂), der Winkel (δϕ) zwischen der Spiegelnormalen (NS) und der Verbindungslinie (AL) von der Drehachse (C) des Gitters (G) zu dem Koppelglied (SG), der Winkel (θ₁) zwischen der Translationsrichtung (T) des Halbleiterlasers (LD) und der Normalen (NG) des Gitters (G) sowie der Winkel (ϕ) zwischen dem Hebel (H) und der Normalen (NT) der Translationsrichtung (T) des Halbleiterlasers (LD) einstellbar veränderlich sind.

11. Abstimmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (LD) vom Typ Quantum Well (QW) mit zwei oder mehr quantisierten Energieniveaus im Leitungs- und Valenzband ist.