DE2140500C3

DE2140500C3 - Laserstrahlenempfänger

Info

Publication number: DE2140500C3
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: 1975-05-22
Also published as: GB1403434A; FR2148534B1; CH540578A; LU65882A1; DE2140500B2; BE787516A; FR2148534A1; SE389231B; NL7209869A; US3781550A; DE2140500A1; IT963840B

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Empfänger tür kohärente Strahlung mit einer Empfangsoptik, •inem optischen Vorverstärker (Laser), einer HaIb-Ifciterphotodiode, dazugehörigen Stromversorgungs-•inheiten, einer elektrischen Verstärkungseinheit für 4en Photostrom sowie Koppel- und Filtereinheiten. t)icser Laserstrahlenempfänger soll insbesondere als Teil einer Laserentfernungsmeßeinrichtung 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 deutschen Offenlegungsschrift 935 740 beschrieben. Dort wird als Lichtsignalvor-

500 verstärker ein neodynidolierter Festkörperlaser veiwendet. Oa der bekannte Lichisignatempfänger eine Anzahl von Linsen, Blenden und mindestens ein Filter einhält, die in bestimmten festen Abständen von dem I aservorverstiiikcr und Detekti'iphotodiode angeordnet sein müssen, sind JustiervorriclHungen. z. B. eine optische Bank, vorgesehen. Hin so ausgestalteter I ichtsignalempfänger muli in seinen Einzelteilen vibrationsfest aulgestellt sein, was sich auf seine Transportfähigkeit und seine räumliche Ausdehnung ungünstig auswirken kann.

Aus einem Artikel in Proceedings nf the IFFE. Band 52, Nr. 12, Dezember I¹JM. Seiten 152') bis 1536. ist ein optischer Empfänger bekannt, der auf engem Raum uiul unempfindlich -je ge n Vibrationen aufgebaut ist. Ein dort beschriebenes optoelektronisches Gerät enthält unter anderem einen Halbleiter photodetektor mit einer anschließenden Transi.sfor verstärkerschaltung. Das /11 registrierende 1 icht empiänsit dieser Photodetector aus einer eng benachbarten llalbleiterlichtquelle. dessen 1 iehtblit/e von dem großflächigen Detektor gut aufgelöst werdeil.

Modulierte Lichtsignale können jeiHeh dort nicht mehr aufuelöst werden, wenn d.ese wsn einer entfeint angeordneten Lichtquelle ausgespült und mit sehr gerinccr Intensität auf jenen Detektor auf'.relfen.

Aufgabe ckr Erfindung ist es. einen hochempfindlichen Laseisirahlenempiüngei als Teil eines Entfernungsmeßgerats anzugeben das h.indlich und transportabel ist.

Diese Aufgabe wird erfindiingsgemäll daduich gelöst, daß erstens dei optisch: Von erstärker, die Halbleiterdiode und die optischen Koppel- und Filtereinheiten integriert auf einem gemeinsamen Träger in der Weise zusammengebaut sind, daß zweitens das stimulierbar Medium des optischen Vorverstärkers mittels einer Haftschicht auf dem Träger befestigt ist, wobei drittens das stimulierbaie Medium bei gcdrungen-J_-l'öimigeni Querschnitt mit seiner größten Fläche auf der Haftschicht aufliegt und dabei viertens mit seinem höheren Riechwert als Wellenleiter zu einem mäanderiörmigen Band gewunden ist und daß fünftens die Halbleiterdiode über das optische Bandfilter in unmittelbarer Beiühnmg mit dem optischen Vorverstärker steht.

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

Der Wellenleiter ist mäanderförmig ausgebildet, um eine möglichst wirksame Verstärkung der Lichtsignale zu erzeugen. Wegen des kleinen Wellenleiterqucrschnitts 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.

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

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

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

bracht oder es wird /wischen der aktiven Fläche der Photodiode und dem Laser eine flüssige oder plastische Immersionsschicht angeordnet

Für die Verwendung des optischen Empfängers in einem l.aserentfeinungsmesser wird die Anregungsenereie vorzugsweise impulsfürmig zugeführt, wobei die Verstärkung des Lasers zu der Zeit ^m größten ist, in der das Echosignal erwartet wird. Dadurch können Fehlmessungen vermieden werden, die dadurch entstehen, daß der Laserverstätker spontan emittierte Signale des Lasersenders oder weitere nicht ausgesandte Lichtimpulse empfängt.

Alisführungsbeispiele folgen an Hand der Figurenbeschreibung.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem mn der optische Teil des optischen Empfängers integriert aufgebaut ist;

F i c. 2 ein Beispiel, bei dem auch die Elektronik /u--.amir.en mit dem optischen Teil integriert aufgebaut ist;

Fig. 3 ein Ausfiihrungsbeispiel für die integrierte Technik;

F ig. 4 und 5 je ein Diagramm.

In der F i g. 1 ist am Ort des einfallenden Lichtstrahls 1 eine fokussierendu Optik 2 angeordnet, hinter der ,ich ein Filter 3 befindet. Auf den. Triiger 4 ist eine wcllenleiiendc Ankoppelvorriclitung 5 aufgebracht, welche dc-n I .iditstralilenquer .chnitt auf den optischen Vorverstärkern hin verengt. Dieser enthält im Gegensat/, zu einem I.asersender keine Re^onatorspiegel, d.i sich sonst zu anderen Zeiten als denen der SignaUluichgärige Signale .uisbilden könnten. Dieser optische Vorverstärker f» wird in dei Fig. 3 noch weiter beschrieben. Das stimulierbare Medium des opti ihen Vorverstäikers. das Teil eines Wellenleiters ι-,ϊ, wird mä.uiderförmig 7 zn einem weiteren FiUei 8 geführt, an das sich die Halbleiterphotodiode 9 an-.chließt. Alle lichtein- und -austrittsfiächen müssen poliert sein, um dort die Strahlungsverluste durch Lichtstreuung herabzusetzen. Die Stromversorgungseinheiten für den optischen Vorverstärker, die Halbleiterphotodiode sowie die Verstärkungseinheit für den Photostrom, sind hier auf einem wcueien. nicht g:/eichneten Träger angeordnet.

In einem weiteren Ausiührungsbeispiel in der F i g. 2 sind neben dem optischen Vorverstärker und der Halbleiterphotodiodc auch deren Stromversorgungseinheiten, sowie die Verstärkungseinheit fü^r den Photostrom auf einem einzigen Träger dargestellt, wo wieder der einfallende Lichtstrahl 1 über die Optik 2 und das Filter 3 oberhalb der Trägerplatte 4 auf die wellcnleitende Einkoppelvorrichtung 5 auftriftt, an die sich wieder der optische Vorverstärker 6 mit seinem mäanderförmigen stimulierbaren Medium 7 anschließt. Zwischen dem

Filter 8 um¹ der Halbleiterphotodiode 9 ist hier eine flüssige oder plastische Immersionsflüssigkeit 10 angeordnet. 11 ist die nr'.ch bekannten Regeln integriert angeordnete Siromversorgungsvorriehtung für die Photodiode, an die sich eine elektrische Verstärkungseinrichtung 12 anschließt. 13 bedeutet die Strom\ersormin»seinheit für die Anregungsvorrichtung des Lasers. Die Einheiten 12 und 13 sind ebenfalls in integrierter Technik auf die Trägerplatte 4 aulgebracht.

Das Filter 3 hat den Zweck. Lieht, das nicht vom Lasersender stammt, heraus/tifiltern, während das Filter 8 die Bandbreite des optischen Vorverstärkers 6 von ion bis MOO GH/, auf etwa 1 GHz eineimt. Zur Registrierung dieser I.ichtsignale wird eine Germanium- oder Silizium-Avalanche-Photodiode 9 verwendet, die sich durch eine hohe Meßeniptindlichkcii aus/eichnei-

F i g. 3 zeigt, wie das stimulierbare Medium des optischen Vorverstärkers integriert auf der Trägerplatte 4 aufgebaut ist Aul diese 'Trägerplatte wird nämlich zunächst ein Klcnekörper !4 mit einem niedrigeren Brechweit als de! des stimulierbaren Medium·. 15 aufgestrichen.

Auf diesen Klebckörper 14 wird das stimulierbare Medium 15 in einkristaliiner Form aufgebracht. Damit sich nur wenige Moden in dem Laserkörper ausbreiten können, muß dieser einen geringen Ouerschnitl halien. Die* erreicht man dadurch, daß die Teile 16 und 17 des siimulieibaren Mediums 7.111 Bildung eines gedrungen-I-förmigen Querschnitts, z. B. weggeätzt weiden. Das breite Grundteil, das auf dem Klchekörper 14 aufliegt, dient der stabilen Haftfestigkeit. Über das slimiilicibare Medium des Lasers wird ein weiterer transparenter Körper 18 aufgebracht, der ebenfalls einen niedrigeren Brechwert als das stimulierbui'e Medium 15 aufweist. Dadurch wird erreicht, daß sich die I.ichtsignale nur innerhalb der mäanderförmig gekrümmten I aserbahnen hewegen können. Oberhalb des Wellenleiters ist eine nicht eingezeichnete Anregungslicht<|uellc angeordnet.

Die F i g. 4 und 5 zeigen die Zeiten, in denen ein Empfangssignal 19 das siimulierbare Medium durchläuft, und in denen das Anregungslicht 20 eingeschaltet wird. Störsignale, Au: vor oder nach dem Zeitpunkt der optischen Anregung das stimulierbare Medium durchlaufen, werden nicht verstärkt.

Ein solcher optischer Empfänger läßt sich mit der Technik der integrierten Optik auf eine Trägerplatte mit einer Fläche von wenigen Quadratz.entimetern aufbringen. Wird der elektronische Teil des Empfängers ebenfalls in integrierter Technik auf der gleichen Trägerplatte angeordnet, so läßt sich ein Laserstrahlenempfänger sehr geringer Ausdehnung als Teil des Laserentfernungsmessers unterbringen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

2 Patentansprüche:

1. Optischer Empfänger für kohärente Strahlung mit einer Empfangsoptik, einem optischen Vorverstärker (Laser), einer Halbleiterphotodiode, dazugehörigen Stromversorgungseinhei- |en, einer elektrischen Verstärkungseinheit für den Photostrom sowie Koppel- und Filtcreinheilen, 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 $ind, daß zweitens das stimulierbare Medium (7, 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 init seiner größten 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 Halblciteidiode (9) über das optische Bandfilter (8) in unmittelbarer Berührung mit *5 dem optischen Vorverstärker (6) sieht.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem optischen Vorverstärker, der Halbleiterphotodiode und den optischen Koppel- unJ Filtereinheiten auch die StromversorgLingseinheiten und die elektrische Verstärkungseinheit für den Photostrom integriert auf dem Träger zusammengebaut 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 HaIhleitcrphotodiode eine Ge- oder Si-Avalanche-Photodiode ist.

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