DE2140500B2

DE2140500B2 - Laserstrahlenempfänger

Info

Publication number: DE2140500B2
Application number: DE2140500A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Zeidler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-12
Filing date: 1971-08-12
Publication date: 1974-10-03
Also published as: GB1403434A; FR2148534B1; CH540578A; LU65882A1; DE2140500C3; BE787516A; FR2148534A1; SE389231B; NL7209869A; US3781550A; DE2140500A1; IT963840B

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Empfänger für kohärente Strahlung mit einer Empfangsoptik, einem optischen Vorverstärker (Laser), einer HaIbleiterphotodiodc, dazugehörigen Stromversorgungseinheiten, einer elektrischen Verstärkungseinheit für den Photostrom sowie Koppel- und Filtereinheiten. Dieser Laserstrahlenempfängcr soll insbesondere als Teil einer Laserentfernungsmcßeinrichtung 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 (im ist in der deutschen OfTenlegungsschrift 935 740 beschrieben. Dort wird als Lichtsignalvorverstärker ein neodymdotierter Festkörperlaser verwendet. Da der bekannte Lichtsignalempfänger eine Anzahl von Linsen. Blenden und mindestens ein Filter enthält, die in bestimmten festen Abständen von dem Laservorverstärker und Detiikiorphotodiotle angeordnet sein müssen, sind Justiervorrichtungen. z. B. eine optische Bank, vorgesehen. Ein so ausgestalteter Lichtsignalempfänger muß in seinen FJnzelteilen vibrationsfest aufgestellt sein, was sich auf seine Transportfähigkeit und seine räumliche Ausdehnung ungünstig auswirken kann.

Aus einem Artikel in Proceedings of the IFFF Band 52, Nr. 12, Dezember 1964, Seiten 152¹J hi, 1536, ist ein optischer Empfänger bekannt, der auf engem Raum und unempfindlich gegen Vibrationen aufgebaut ist. Ein dort beschriebenes optoelektrom sches Gerät enthält unter anderem einen Halbleitu photodetektor mit einer anschließenden Transistor verstärkerschaltung. Das /u registrierende i empfängt dieser Photodetektor aus einer eng bei: harten Halblciterlichtquclle. dessen Lichtblit/e dem großflächigen Detektor gut aufgelöst were!

Modulierte Lichtsignal können jedoch dort ν mehr aufgelöst werden, wenn diese von einer ein! angeordneten Lichtquelle ausgesandt und mit geringer Intensität auf jenen Detektor auftrciTeii

Aufgabe der Erfindung ist es. einen hochempü: liehen'Laserstrahlenempfänger als Teil eines i fernungsmeßgeräts anzugeben, das handlich transportabel ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgeniäß dadurch löst, daß erstens der optische Vorverstärker. ■ Halbleiterdiode und die optischen Koppel- und ! tercinheiten integriert auf einem gemeinsamen i ger in der Weise zusammengebaut sind, daß 7\\·.·.·. das stimulierbare Medium des optischen Vor'.. slärkcrs mittels einer Haftschicht auf dem Ti;:;. befestigt ist, wobei drittens da.» stimulierbare Medi·.·: , bei gedrungen-X-förmigcn-. Querschnitt mit sein.-. größten Fläche auf der Haftschicht aufliegt und (iahe. viertens mit seinem höheren Brechwert als Wellenleiter zu einem mäanderförmigen Band gewunden im und daß fünftens die Halbleiterdiode über das optische Bandfilter in unmittelbarer Berührung mit dem optischen Vorverstärker steht.

Der Wellenleiteraufbau dient dazu, die empfange nen Lichtsignale möglichst verlustfrei durch das stimulierbare Medium des Lasers zu leiten.

Der Wellenleiter ist mäanderförmig ausgebildet. um eine möglichst wirksame Verstärkung der Lichtsignaic zu erzeugen. Wegen des kleinen Wellcnlcitcrquerschnitts läßt sich eine Mäanderform mit sehr vielen Windungen auf einer kleinen Fläche erreichen. Je kleiner nämlich der Wcllenleiterquerschnitt ist. desto kleiner ist der Radius eines Kreisbogens, auf dem der Wellenleiter Licht verlustarm führen kann.

Insbesondere sollte das stimulierbare Medium des Lasers das gleiche sein wie das des Laserstrahlensenders. Dann sind nämlich die Frequenzen des aus · gesandten und empfangenen Lichtstrahls die gleichen und können so im Laservorverstärker optimal verstärkt werden.

Als optischer Vorverstärker wird vorzugsweise ein Neodymlaser verwendet, der besonders vorteilhaft auf eine anschließende Halbleiterphotodiode aus Germanium oder Silizium angepaßt ist.

Die aktive Fläche der Photodiode wird entweder in direkten Kontakt mit dem Laserverstärker ge-

bracht oder es wird zwischen der aktiven Fläche der Filter 8 und der Halbleiterphotodiode 9 ist hier eine Photodiode und dem Laser eine flüssige oder flüssige oder plastische Immersionsflüssigkeit 10 anplastische Immersionsschicht angeordnet. geordnet. Il ist die nach bekannten Regeln inte-

Für die Verwendung des optischen Empfängers in griert angeordnete Stromversorgungsvorrichtung für

einem Laserentfemungsmesser wird die Anregungs- 5 die Photodiode, an die sich eine elektrische Ver-

energie vorzugsweise imp'ilsförmig zugeführt, wobei Stärkungseinrichtung 12 anschließt. !3 bedeutet die

die Verstärkung des Lasers zu der Zeit am größten Stromversorgungseinheit füi die Anregungsvorrich-

ist, in der das Echosignal erwartet wird. Dadurch tung des Lasers. Die Einheiten 12 und 13 sind

können Fehlnwssungen vermieden werden, die da- ebenfalls in integrierter Technik auf die Träger-

duTch entstehen, daß der Laserverstärker spontan jo platte 4 aufgebracht.

emittierte Signale des Lasersenders oder weitere nicht Das Filter 3 hat den Zweck, Licht, das nicht vom

ausgesandte Lichtimpulse empfängt. Lasersender stammt, herauszufiltern, während das

Ausführungsbeispiele folgen an Hand der Figuren- Filter 8 die Bandbreite des optischen Vorverstär-

beschreibung. kers6 von 100 bis 1000 GHz auf etwa 1 GHz ein-

F i g. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem nur der optische i₅ engt. Zur Registrierung dieser Lichtsignale wird Teil des optischen Empfängers integriert aufgebaut eine Germanium- oder Silizium-Avalanche-Photo-

ist; diode 9 verwendet, die sich durch eine hohe Meß-

Fig. 2 ein Beispiel, bei dem auch die Elektronik empfindlichkeit auszeichnet.

zusammen mit dem optischen Teil integriert auf- Fig. 3 zeigt, wie das stimulierbare Medium des

gebaut ist; 20 optischen Vorverstärkers integriert auf der TräüC!-

F ig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die integrierte platte 4 aufgebaut ist. Auf die. Trägerplatte wird

Technik; nämlich zunächst ein Klebekörp>~r 14 mit einem

Fig. 4 und 5 je ein Diagramm. niedrigeren Brechwert als der des stiniulierbaren Mein der Fig. 1 ist am Ort des einfallenden Licht- diums 15 aufgestrichen.

Strahls 1 eine fokussierende Optik 2 angeordnet, hin- 25 Auf diesen Klebekörper 14 wird das stimulierbare ter der sich ein Filter 3 befindet. Auf dem Träger 4 Medium 15 in einkristalliner Form aufgebracht. Daist eine wellenleitende Ankoppelvorrichtung 5 auf- \ ;*. -ich nur svenige Moden in dem Laserkörper ausgebracht, welche den Lichtstrahlenquerschnitt auf breiten können, muß dieser einen geringen Ouerden optischen Vorverstärker ή hin verengt. Dieser schnitt haben. Dies erreicht man dadurch, daß die enthält im Gegensatz zu einem Lasersender keine ₃₀ Teile 16 und 17 des stimulierbaren Mediums zur Resonatorspiegel, da sich sonst zu anderen Zeiten Bildung eines gedrungen-J_-förmigen Querschnitts. als denen der Signakiurchgänge Signale ausbilden z. B. weggeätzt werden. Das breite Grundteil, das könnten. Dieser optische Vorverstärkern wird in der auf dem Klebekörper 14 aufliegt, dient der stabilen F i g. 3 noch weiter beschrieben. Das stimulierbare Haftfestigkeit. Über das stimulierbar^ Medium des Medium des optischen Vorverstärkers, das Teil ₃₅ Lasers wird ein weiterer transparenter Körper 18 eines Wellenleiters ist. wird mäanderl'örmig 7 zu aufgebracht, der ebenfalls einen niedrigeren Brccheinem weiteren Filter 8 geführt, an das sich die Halb- wert als das stimulierbaic Medium '5 aufweist. Daleiterphotcx'iode 9 anschließt. Alle Lichtein- und durch wird erreicht, daß sich die Lichts'jnale nur -austrittsflächen müssen poliert sein, um dort die innerhalb der mäanderförmig gekrümmten Laser-Strahlungsvcrliuste durch Lichtstreuung herabzu?et- ₄„ bahnen bewegen können. Oberhalb des Wellenleiters zen. Die Stromversorgungseinheiten für den opti- ist eine nicht eingezeichnete Anregungslirhtquelle sehen Vorverstärker, die Halbleiterphotodiode sowie angeordnet.

die Verstärknngseinlieit für den Photostrom, sind Die Fig. 4 und 5 zeigen die Zeiten, in denen

hier auf einem weiteren, nicht gezeichneten Träger ein Empfangssignal 19 des stimulierbare Medium

angeordnet. .3 durchläuft, und in denen das Anregungslieht 20

In einem weiteren Ausführungsbeispie! in der eingeschaltet wird. Störs^nale. die vor oder nach dem Fig. 2 sind neben dem optischen Vorverstärker und Zeitpunkt der optischen Anregung das stimulierbarc der Halbleiterphotodiode auch deren Stromvcrsor- Medium durchlaufen, werden nicht verstärkt.
gungseinheiten, sowie die Verstärkungseinheit fü^r Ein solcher optischer Empfänger läßt sich mit den PltotPStiOm auf einem einzigen Träger dar- ₅₀ der Technik der integrierten Optik auf eine Trägergestellt, wo wieder der einfallende Lichtstrahl 1 platte mit einer Fläche son wenigen Quadratzcntiüber die Optik 2 und das Filter 3 oberhalb der meiern aufbringen. Wird der elektronische Teil des Trägerplatte 4 auf die wel'.cnlcilendc Einkoppcl- Empfängers ebenfalls in integrierter Ί echnik auf der Vorrichtung 5 auftriflt, an die sich wieder der op- gleichen Trägeiplatte angeordnet, so läßt sich ein tische Vorverstärker 6 mit seinem mäanderförmigen ^₅ Laserslrahleneiiipfänger sehr geringe! Ausdehnung stimulierbaren Medium 7 anschließt. Zwischen dem als Teil des Laserentfernungsmessers tinierbringcn.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Empfänger für kohärente Strahlung mit einer Empfangsoptik, einem optischen Vorverstärker (Laser), einer Halbleiterphotodiode, dazugehörigen Stromversorgungseinheiten, einer elektrischen Verslärkungseinheit für den Photostrom sowie Koppel- und Filtereinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß "> erstens der optische Vorverstärker (6), die Halbleiterdiode (9) und die optischen Koppel- (5) und Filtereinheiten (8) integriert auf einem gemeinsamen Träger (4) in der Weise zusammengebaut sind, daß zweitens das stimulierbare Medium (7, »5 15) des optischen Vorverstärkers (6) mittels einer Haftschicht (14) auf dem Träger (14) befestigt ist, wobei drittens das stimulierbare Medium (7, 15) bei gedrungen-_L-förmigem Querschnitt mit seiner gröOten Fläche auf der Haftschicht (14) aufliegt und dabei viertens mit seinem höheren Brechwert als Wellenleiter zu einem mäanderförmigen Band (7) gewunden ist und daß fünftens die Halbleiterdiode (9) über das optische Bandfilter (8) in unmittelbarer Berührung mit dem optischen Vorverstärker (6) steht.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem optischen Vorverstärker, der Halblciterphotodiode und den optischen rvoppel- und Filtereinheiten auch die 3<> Stromversorgungseinheiten und die elektrische Verstärkungseinhcit für den Photostrom integriert auf dem Träger zusammen^, 'baut sind.

3. Optischer Empfänger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Vorverstärker ein Neodymlaser ist.

4. Optischer Empfänger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HaIb-Ieiterphotodiode eine Ge- oder Si-Avalanche-Photodiode ist.

5. Optischer Empfänger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aktiven Fläche der Halbleiterphotodiode und dem optischen Vorverstärker eine flüssige oder plastische Immersionsschicht angeordnet ist.