DE2140500A1

DE2140500A1 - Laserstrahlenempfaenger

Info

Publication number: DE2140500A1
Application number: DE2140500A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Zeidler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-12
Filing date: 1971-08-12
Publication date: 1973-02-22
Also published as: US3781550A; FR2148534A1; SE389231B; GB1403434A; CH540578A; FR2148534B1; DE2140500C3; BE787516A; NL7209869A; LU65882A1; IT963840B; DE2140500B2

Description

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SIEMENS AKTIENGISELLSOIIiJ¹S: München 2, den 12. A-G i^cj71 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

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Laserstrahlenempfänger

Die.Erfindung betrifft einen Laserstrahlenempfänger mit einer Empfangsoptik, einem vorverstärkenden Laser, einer Halbleiterphotodiode, dazugehörigen Stromversorgungseinheiten, einer Verstärkungseinheit für den Photostrom sowie Koppel- und Gütereinheiten. Dieser Laserstrahlenempfänger soll insbesondere als Teil einer Laserentfernungs-Meßeinrichtung verwendet werden.

Entfernungsmesser, die mit Laserlichtstrahlen arbeiten, zeichnen sich einerseits durch hohe Meßempfindlichkeit, zum anderen durch einen großen Meßbereich aus. Dieser Meßbereich kann noch erweitert werden, wenn vor der vielfach verwendeten Halbleiterphotodiode als Nachweisgeräte Laserverstärker angeordnet werden. Ein solches Gerät zum Nachweis von Signalen mit einer Wellenlänge von etwa 1/um ist in der Offenlegungsschrift 1 935 740 beschrieben. Es ist hier als "Lichtsignalvorverstärker ein neodymdotierter Festkörperlaser beschrieben. Da der Lichtsignalempfänger hier eine Anzahl von Linsen, Blenden und mindestens ein Filter enthält, die in bestimmten festen Abständen von dem Laservorveratärker und Detektorphotodiode angeordnet sein müssen, sind Justiervorrichtungen, z.B. eine optische Bank vorgesehen. Ein so ausgestalteter Lichtsignalempfänger muß in seinen Einzelteilen vibrationsfest aufgestellt sein, was sich auf seine Transportfähigkeit und seine räumliche Ausdehnung ungünstig auswirken kann.

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laserstrahlenempfänger als Teil eines Entfernungsmeßgerätes anzugeben, das handlich und transportabel ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der vorverstärkende Laser, die HalbleiterphDtodiode und die Koppeleinheiten in integrierter Technik auf einem Tragekörper zusammengebaut sind.

Es besteht weiter die Möglichkeit, neben dem vorverstärkenden Laser, der Halbleiterphotodiode und den Koppsleinheiten auch die Stromversorgungseinheiten und die Verstärkungseinheit für den Photostrom in integrierter Technik auf dem Tragekörper zusammenzubauen.

Bei der Herstellung eines solchen Laserstrahlenempfängers ist es von Vorteil, wenn das aktive Material des vorverstärkenden Lasers Teil eines für die Wellenlänge des Laserstrahlensenders wirksamen dielektrischen Wellenleiters ist, der aus einem Gebiet mit höherem Brechungsindex besteht, das von einem Gebiet mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist. Der aus dem aktiven Material des vorverstärkenden Lasers und aus dem dieses umgebenden Gebiet aus dem niedrigeren Brechungsindex bestehender Wellenleiter wird in einer dünnen Schicht auf dem Tragekörper befestigt. Dieser Wellenleiter- W aufbau dient dazu, die empfangenen Lichtsignale möglichst verlustfrei durch das aktive Material des Lasers zu leiten.

Um eine möglichst wirksame Verstärkung der Lichtsignale zu erzeugen, i3t der Wellenleiter möglichst lang, vorteilhafterweise mäanderformig auszubilden. Wegenides kleinen Wellenleiterquerschnitts läßt sich eine Mäanderform mit sehr vielen Windungen auf einer kleinen Fläche erreichen. Je kleiner nämlich der Wellenleiterquerschnitt ist, desto kleiner ist der Radius eines Kreisbogens, auf dem der Wellenleiter Licht verlustarm führen kann.

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Insbesondere sollte das aktive Material des Lasers dasgleiche sein wie das des Laserstrahlensenders« Dann sind · nämlich die Frequenzen des ausgesandten und empfangenen Lichtstrahls die gleichen und können so im Laservorverstärker optimal verstärkt werden.

Als Laser wird vorzugsweise ein Neodymlaser verwendet_}. der besonders vorteilhaft auf die anschließende Halbleiterphotodiode aus Germanium oder Silizium angepaßt ist,,

Die aktive Fläche der Photodiode wird entweder in direkten Kontakt mit dem Laserverstärker gebracht oder es wird zwischen der aktiven Fläche der Photodiode und dem Laser eine flüssige oder plastische Immersionsschicht angeordnet.

Für die Verwendung des Laserstrahlenempfängers in einem Laserentfernungsmesser wird die Pumpenergie vorzugsweise 'impulsförmig zugeführt, wobei die Verstärkung des Lasers zu der Zeit am größten ist, in der das Echosignal erwartet wird. Dadurch können Fehlmessungen .vermieden werden, die dadurch entstehen, daß der Laserstrahlenempfanger spontan emitierte Signale des Lasersenders oder weitere nicht ausgesandte Lichtimpulse empfängt. _ "

Ausführungsbeispiele folgen anhand der Figurenbeschreibung. Fig. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem nur der optische Teil

des Laserstrahlenempfängers integriert aufgebaut ist, Fig. 2 ein Beispiel, bei dem auch die Elektronik zusammen

mit dem optischen Teil integriert aufgebaut ist, Fig. 3 -Bin Ausführungsbeispiel für die integrierte Technik, Fig. 4 "und 5 3*e ein Diagramm.

In der Figur 1 ist am Ort des einfallenden Lichtstrahls 1 eine fokussierende Optik 2 angeordnet, hinter der sich ein Filter 3 befindet. Auf dem Tragekörper 4 ist eine wellenlei-

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tende Askoppelvorrichtwiig 5 aufgebracht, welche den Liehtstrahlenquersehnitt auf die vorverstärkende Laservorrich- tung 6 bin verengt. Dieser enthält im Gegensatz zu einem Lasersender keine Resonator spiegel, Sa sich sonst zn anderen Zeiten als denen der Sigoal&urciigänge Signale ausbilden konnten. Diese Vorrichtung 6 wird in der Figur 3 noch weiter beschrieben. Sas aktive Material, das Teil eines Wellenleiters.ist, wird mäan&erformlg 7 zu einem weiteren Filter 8 geführt, an den sich die Halbleiterphotodiode 9 anschließt. Alle Liehtein- und austeittsfläehen müssen poliert sein, um dort die Strahlxtngsverluste durch Lichtstreuung herabzusetzen. Sie Strornirersorgongseinheiten für den vor— verstärkenden Laser, die Halbleiterphotodiode sowie die Yerstärkangseinhelt für den Photostrom sind hier auf einem weiteren, nicht gezeichneten Tragekörper angeordnet.

In einem weiteren AuBführttogsiieiepfel in der Figur 2 sind nehen dem vorverstärkenden Laser und der Halbleiterphotodiode auch deren Sonnrersorgungselnhelten, sowie die Veretärkungseinhelt für den ühotostrom auf einem einzigen Tragekörper dargestellt, wo wieder der einfallende Lichtstrahl 1 über die Optik 2 und das Filter 3 oberhalb der Trägerplatte 4 auf die wellenleitende-1 Elnkoppelrorrichtung 5 auf trifft, an die sich wieder die Laseranordnung 6 mit der mäanderformigen Struktur 7 anschließt. Zwischen dem Filter 8 und der Halbleiter- ^ photodiode 9 ist hier eine flüssige oder plastische Immersionsflüssigkeit 10 angeordnet. 11 ist die nach bekannten Regeln Integriert angeordnete StromversorgungSTorrichtung für die Photodiode, an die sich eine elektrische Verstärkungseinrichtung 12 anschließt. 13 bedeutet die Stromrersorgungseinheit für die Pumpvorrichtung des Lasers. Die Einheiten 12 und 13 sind ebenfalls in integrierter Technik auf die Trägerplatte 4 aufgebracht.

Das Filter 3 hat den Zweck, Licht, das nicht vom Laser sender stammt, herauszuflltern, während das Filter 8 die Bandbreite

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des Laservorverstärkers 6 von 100 "bis 1000 GHz auf etwa 1 GHz.einengt. Zur Registrierung dieser Lichtsignale wird eine Germanium- oder Silizium-Avalanche-Photodiode 9 verwendet, die sich durch eine hohe Meßempfindlichkeit auszeichnet.

Figur 3 zeigt, wie der Laser integriert auf der Trägerplatte 4 aufgebaut ist. Auf diese Trägerplatte wird nämlich zunächst ein Klebekörper 14 mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des aktiven Materials des Lasers 15 aufgestrichen.

Auf diesen Klebekörper 14 wird das aktive Material 15 in einkristallxner Form aufgebracht. Damit sich nur wenige Moden in dem Laserkörper ausbreiten können, muß dieser einen geringen Querschnitt haben. Dies erreicht man dadurch, indem die Teile 16 und 17 des aktiven Materials, z.B. weggeätzt werden. Der breite Grundteil, der auf dem Kiebekörper 14 aufliegt, dient der stabilen Haftfestigkeit. Über das aktive Medium des Lasers wird ein weiterer transparenter Körper 18 aufgebracht, der ebenfalls einen niedrigeren Brechungsindex besitzt als das aktive Material des Lasers 15. Dadurch wird nämlich erreicht, daß sich die Lichtoignale nur innerhalb der mäanderförmig gekrümmten Laserbahnen Tswegen können. Oberhalb des Wellenleiters ist eine nicht eingezeichnete Pumplichtquelle angeordnet.

Die Figuren 4 *ind 5 zeigen die Zeiten, in denen ein Empfangssignal 19 das aktive Medium durchläuft, und in denen das Pumplicht 20 eingeschaltet wird* Störsignale, die vor oder nach dem Zeitpunkt des optischen Pumpens das aktive Material durchlaufen, werden nicht verstärkt.

Ein solcher Empfänger läßt sich mit der Technik der integrierten Optik auf eine Trägerplatte mit einer Fläche von wenigen

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Quadratzentimetern aufbringen. Wird der elektronische Teil des Empfängers ebenfalls in integrierter Technik auf der gleichen Trägerplatte angeordnet, so läßt sich ein lasersträienempfänger sehr geringer Ausdehnung als Teil des Laserentfernungsme3sers unterbringen.

5 Figuren
Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

f 1.) Laserstrahlenempfänger mit einer Empfangsoptik, einem vorverstärkenden Laser, einer Halbleiterphotodiode, dazugehörigen Stromversorgungseinheiten, einer YerStärkungseinheit für den Photostrom sowie Koppel- und Filtereinheiten, dadurch gekennzeichnet , daß der vorverstärkende Laser, die Halbleiterphotodiode und die Koppeleinheiten in integrierter Technik auf einem Tragekörper zusammengehaut sind.
2. Laserstrahlenempfänger nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß neben dem vorverstärkenden Laser, der Halbleiterphotodiode und den Koppeleinfeeiten auch die Stromversorgungseinheiten und die Yerstärkungseinheit für den Photostrom in integrierter Technik auf dem

- Tragekörper zusammengebaut sind.
3. Laserstrahlenempfänger nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das aktive Material des vorverstärkenden Lasers Teil eines für die Wellenlänge des Laserstrählensenders wirksamen dielektrischen Wellenleiters ist, der aus einem Gebiet mit höherem Brechungsindex beeteht das von einem Gebiet mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist.
4· Laserstrahlenempfänger nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß der aus dem aktiven Material des vorverstärkenden Lasers und dem dieses umgebenden Gebiet mit dem niedrigeren Brechungsindex bestehende Wellenleiter in einer dünnen Schicht auf dem Tragekörper befestigt ist.
5. Laserstrahlenempfänger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Wellenleiter mäanderförmig auogebildet ist.

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6. Laserstralilenempf anger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net , daß das aktive Material des Lasers das gleiche ist wie das des dazugehörigen Laserstrahlensenders.
7. Laserstrahlenempfänger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Laser ein Neodymlaser ist.
8. Laserstraüeneiapf anger nach Anspruch 1_f dadurch ge kennzeichnet , daß die Halbleiterphotodiode eine Ge- oder Si-Avalanche-Photodiode ist.
* 9. Laserstrahlenempfänger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspäche, dadurch gekennzeichnet , daß die aktive Fläche der Photodiode in direktem Kontakt mit dem Laserverstärker ist.
10. LaserstraHenempfanger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der aktiven Fläche der !Photodiode und dem Laser eine flüssige oder plastische Immersionsschicht angeordnet ist.
11. Verwendung des Laserstrahlenempfängers nach einem oder

t mehreren der vorhergehenden Ansprüche für einen Laserentfernungsmesser.
12. Verwendung des Laserentfernungsmessers nach Anspruch 11, mit der Maßgabe, daß die Pumpenergie impulsfb'rinig zugeführt wird, wohei die Verstärkung des Lasers zu der Zeit am größten ist, in der das Echosignal erwartet wird.

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