DE2529313A1 - Elektrisch gesteuerter generator fuer optische strahlung - Google Patents

Elektrisch gesteuerter generator fuer optische strahlung

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DE2529313A1 DE19752529313 DE2529313A DE2529313A1 DE 2529313 A1 DE2529313 A1 DE 2529313A1 DE 19752529313 DE19752529313 DE 19752529313 DE 2529313 A DE2529313 A DE 2529313A DE 2529313 A1 DE2529313 A1 DE 2529313A1
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    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters

Description

75008 PARIS / Frankreich
Unser Zeichen: T 1808
Elektrisch gesteuerter Generator für optische Strahlung
Die Erfindung betrifft einen elektrisch gesteuerten optischen Strahlungsgenerator, welcher eine dem äusseren Ende eines Faseroptikwellenleiters zugeordnete strahlungemittierende Diode, zwei den elektrischen Steuerstrom empfangende Eingangsklemmen, eine einen Anteil der von der Strahlungsdiode emittierten Strahlung empfangende Photodiode und Einrichtungen zur Verstärkung des Steuerstroms sowie des von der Photodiode gelieferten Stroms enthält.
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In Generatoren dieser Art wird das von der Photodiode gelieferte elektrische Signal verwendet, um durch Gegenkopplung die Kennlinie zu linearisieren, welche die von der Strahlungsdiode abgestrahlte Leistung mit dem elektrischen Steuersignal verknüpft.
Bei manchen Generatoren ist diese Gegenkopplung eine Spannungsgegenkopplung und die erzielte Schaltung eignet sich schlecht für eine Integration. Ausserdem wird der Anteil der von der Strahlungsdiode ausgestrahlten Strahlung im allgemeinen der dem Faseroptikwellenleiter über eine
Faseroptikverbindung zugeführten Strahlung entnommen, was eine Verringerung der von dem Wellenleiter wirklich übertragenen Strahlung verursacht. Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, indem eine Stromgegenkopplung verwendet wird, wobei die erzielte Struktur sehr leicht integrierbar ist und die von der Photodiode aufgefangene Strahlung nicht der von dem Faseroptikwellenleiter übertragenen Strahlung entnommen wird.
Der elektrisch gesteuerte optische Strahlungsgenerator nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsfläche der Photodiode in umittelbarer Nähe der Strahlungsfläche der strahlungemittierenden Diode angeordnet und mit derselben über ein lichtdurchlässiges Medium gekoppelt ist, welches die Strahlungsdiode, die Photodiode und das äussere Ende des Wellenleiters umhüllt, und dass die Verstärkungseinrichtungen zwei Stromverstärker enthalten, die die Photodiode mit der Strahlungsdiode in Kaskade verbinden, wobei die den Verstärkern gemeinsamen Klemmen mit dem Eingangsklemmenpaar verbunden sind.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
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beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 " ein elektrisches Schaltbild der
Einrichtung nach der Erfindung,
die Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsformen dieser Ein
richtung, und
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform,
bei welcher die zu steuernde strahlungemxttierende Diode eine kohärente Strahlung emittiert.
In den verschiedenen Figuren tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
Fig. 1 zeigt eine strahlungemittierende Diode L, d.h. einen halbleitenden pn-übergang, der unter der Steuerung eines elektrischen Signals I Strahlungsenergie, gewöhnlich im sichtbaren Teil des Spektrums oder im nahen Infrarotbereich, in kohärenter oder nichtkohSrenter Weise, je nach dem Typ der strahlungemittierenden Diode L, insbesondere an eine optische Faser F abgibt. Ein Photodetektorelement P, wie beispielsweise eine Photodiode, ist nahe bei der Diode L angeordnet, um einen Anteil des von der Diode L ausgesandten Lichtsignals aufzufangen. Die Photodiode P ist über einen Stromverstärker A mit dem Eingang der Einrichtung verbunden, an welchem der Steuerstrom I der strahlungemittierenden Diode L empfangen wird, was durch eine Stromquelle I symbolisch dargestellt ist. Die Strahlungsdiode L ist mit diesem Eingang ebenfalls über einen Stromverstärker verbunden, der mit A bezeichnet ist. Die Eingangs- und Ausgangsströme des Verstärkers A- sind mit I. bzw. I bezeichnet. Der Ausgangsstrom des Verstärkers A„ ist mit I bezeichnet. Der Ausgang des Verstärkers A, und der Eingang des Verstärkers A2 sind
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mit B, bzw. B9 bezeichnet.
Praktisch steht es fest, dass die Hauptursache für die Nichtlinearität der Einrichtung die Diode L ist, da die durch die Stromverstärker A. und A und die Photodiode P hervorgerufenen Nichtlinearitäten viel kleiner sind.
Wenn man mit P die von der Diode L emittierte optische Leistung und mit Pd die von der Photodiode P erfasste optische Leistung, mit η die Empfindlichkeit in A/W der Photodiode P, mit G2 die Stromverstärkung des Verstärkers A9 und mit pden Gegenkopplungsfaktor bezeichnet, so erhält
1F k2
man β = ·=— = G9 . η . r=v wobei k9 ein konstanter Faktor ist,
der die optischen Leistungen miteinander verknüpft (P, = ^9Pg)' und wobei k. der Umsetzungsfaktor der Diode L ist
(I = k, P„). Man definiert ausserdem I.=I -I =I_-G„ η Ρ k«, oxe χ ο r ο ζ ' e
sowie einen Übertragungsgewinn
1O kl Pe
A = *f = 1S - G2 Π k2 Pe und einen Gewinn mit Gegenkopplung:
I
Ap = ^ = 1 + PA*
Es ist somit auf diese Weise eine Einrichtung zur linearen Steuerung einer Elektrolumineszenzdiode durch eine optoelektronische Gegenkopplung geschaffen worden, die die Gesamtheit der Faktoren berücksichtigt, welche die Linearität der Lichtemission beeinflussen können, da das zum Gegenkoppeln entnommene Signal ein Teil des Lichtsignals selbst ist. Im übrigen kann die Entnahme des Signals ohne Senkung des Wirkungsgrads des Systems erfolgens es genügt nämlich, die Seitenemission der Diode L zu verwenden, die nicht zu der optischen Faser übertragen wird, wie in Fig. 1 dargestellt.
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Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Einrichtung, deren Schaltbild in Fig. 1 angegeben ist. Fig. 2 zeigt wieder die strahlungemittierende Diode L und die Photodiode P, die auf einem Träger S befestigt sind, und die optische Faser F. Der Träger S hat beispielsweise L-Form, damit die Diode P die emittierte Lichtenergie in einer Richtung empfängt, die zu der Hauptrichtung der Emission der Diode L zu der optischen Faser F im wesentlichen normal ist.
Die strahlungemittierende Diode L besteht beispielsweise aus einer GaAs-Diode, d.h. einer Galliumarseniddiode, und die Photodiode P aus einem auf einem Siliciumsubstrat hergestellten pn-übergang, wobei dieser Diodentyp den doppelten Vorteil aufweist, die beste Empfindlichkeit η für die Wellenlänge der von einer GaAs-Diode emittierten Lichtenergie und eine sehr kleine Ansprechzeit zu haben.
Beispielsweise ist die Einrichtung nach der Erfindung hergestellt worden mit einer Diode L, die einen Durchmesser von ungefähr 400 μπι hat und Lichtenergie an eine optische Faser F mit einem Durchmesser von 500 μπι abstrahlt, wobei die Photodiode P einen Flächeninhalt in der Grössenordnung von einem Quadratmillimeter hat.
Die Dioden L und P sind auf dem Träger S mittels elektrisch leitender Schichten 1 bzw. 2 befestigt, die beispielsweise einfach aus einer Lötmittelschicht bestehen. Die Dioden L und P sind auf diese Weise mit einer gemeinsamen Klemme 3 des Trägers S elektrisch verbunden. Die Dioden L und P sind ausserdem durch Verbindungsdrähte 4 bzw. 5 mit den Klemmen B, und B2 verbunden, die durch den Träger S hindurchgeführt sind.
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Die optische Paser F ist in geringem Abstand von der strahlungemittierenden Diode L angeordnet und durch ein lichtdurchlässiges Vergussmaterial M festgehalten, welches die mechanische Festigkeit der Anordnung und die optische Kopplung zwischen den Elementen L, F und P sicherstellt. Für ein solches Material M kann beispielsweise ein lichtdurchlässiges Epoxidharz verwendet werden, das die Bezeichnung optisches Araldite (eingetragenes Warenzeichen) trägt.
Fig.2 wird durch eine elektrische Schaltung vervollständigt,die die Verstärker A1 und A und die Stromquelle I enthält, die untereinander und mit den Klemmen B^ und B2 verbunden sind, wie in Fig. 1 dargestellt.
Fig. 3 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform von Fig. abgewandelte Ausführungsform, bei der die Photodiode P und die Verstärker A, und A„ in Form einer integrierten Schaltung auf Silicium hergestellt sind, die in Fig. 3 schematisch durch ein Plättchen 6 dargestellt ist, welches in drei Teile P, A, und A unterteilt und auf dem Träger S wie zuvor in Fig. 2 die Photodiode P angeordnet ist.
Bei dieser Ausführungsform ist die strahlungemittierende Diode L immer über die Verbindung 4 mit der Klemme B, verbunden. Die Diode Ii und die integrierte Schaltung 6 sind mit der Klemme 3 über den Träger S und leitende Schichten 1 bzw. 7 verbunden. Der Verstärker A ist mit einer den Träger S durchquerenden Klemme 9 verbunden, und die Verstärker Ä, und A„ sind mit einer ebenfalls den Träger S durchquerenden gemeinsamen Klemme 10 verbunden. Die Verstärker A. und A und die Photodiode P sind ausserdem untereinander im Innern der integrierten Schaltung 6 gemäss dem elektrischen Schaltschema von Fig. 1 verbunden. Fig.
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wird durch eine elektrische Schaltung vervollständigt, die den Verstärker A, mit der strahlungemittierenden Diode L und die Verstärker A, und A2 mit der Stromquelle Ig verbindet.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die zu steuernde strahlungemittierende Diode eine kohärente Strahlung emittiert.
Bekanntlich besteht eine solche Diode, die auch als Laserdiode bezeichnet wird und die in Fig. 4 mit L bezeichnet ist, im wesentlichen aus einem pn-übergang, der in einem optischen Hohlraumresonator angeordnet ist. Minoritätsladungsträger werden aufgrund einer geeigneten Vorspannung mit einer ausreichend grossen Dichte in den pn-übergang injiziert, damit eine stimulierte Lichtemission erzielt wird. Die in Fig. 4 mit 11 und 12 bezeichneten äussersten Seiten der Diode, die zu der Ebene 13 des pn-übergangs senkrecht und zueinander parallel sind, sind poliert und bilden einen optischen Hohlraumresonator, in welchem die emittierte kohärente Welle schwingen kann. Gegenüber der Seite 12 der Diode L, ist die optische Faser F angeordnet. Die Photodiode P ist gegenüber der Seite 11 der Diode L, angeordnet, wo die emittierte Lichtleistung und infolgedessen die von der Photodiode P erfasste Leistung P^ viel grosser ist als bei den vorhergehenden Ausführungsformen: die Verstärkung des Verstärkers A2 ist folglich gering.
Fig. 4 zeigt den Träger S, der die Laserdiode L, und die integrierte Schaltung 6 sowie die Klemmen 3 und Io und die Steuerstromquelle I trägt, wobei die optische Faser F jetzt gegenüber der Seite 12 der Diode L, angeordnet und der Verstärker A- beispielsweise direkt mit der Diode L, über eine Verbindung 14 verbunden ist.
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Der optische Strahlungsgenerator nach der Erfindung ist in dieser Ausführungsform besonders interessant, da die Kennlinie der von einer Laserdiode emittierten Lichtleistung in Abhängigkeit von dem Steuerstrom sehr wenig linear ist.
Die Einrichtung nach der Erfindung ist, allgemeiner ausgedrückt, zur linearen elektrischen Steuerung jeglichen Strahlungsenergiesenders verwendbar, wie beispielsweise ein Laser, dem ein elektrooptischer Modulator zugeordnet ist.
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Claims (6)

Patentansprüche :
1.)Elektrisch gesteuerter Generator für optische Strahlung,
mit einer strahlungemittierenden Diode, die dem äusseren Ende eines Faseroptikwellenleiters zugeordnet ist, mit einem Eingangsklemmenpaar, welches den elektrischen Steuerstrom empfängt, mit einer einen Anteil der von der strahlungemittierenden Diode emittierten Strahlung empfangenden Photodiode und mit Einrichtungen zur Verstärkung des Steuerstroms sowie des von der Photodiode abgegebenen Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsfläche der Photodiode in unmittelbarer Nähe der Strahlungsfläche der strahlungemittierenden Diode angeordnet und mit derselben durch ein lichtdurchlässiges Medium gekoppelt ist, das die Diode, die Photodiode und das äussere Ende des Wellenleiters umhüllt, und dass die Verstärkungseinrichtungen zwei Stromverstärker enthalten, welche die Photodiode mit der strahlungemittierenden Diode in Kaskade verbinden, wobei die Verbindungsklemmen der Verstärker mit dem Eingangsklemmenpaar verbunden s ind.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode und die Stromverstärker als integrierte Schaltung ausgeführt sind.
3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode derart angeordnet ist, dass sie einen Anteil der von der strahlungemittierenden Diode emittierten Energie in einer Richtung empfängt, die zu deren Hauptemissionsrichtung im wesentlichen normal ist.
4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungemittierende Diode
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■ ■ - ίο -
kohärente Strahlungsenergie emittiert.
5. Generator -nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode derart angeordnet ist, dass sie die von der strahlungemittierenden Diode emittierte Energie in einer Richtung empfängt, die zu der Richtung der Emission zu dem äusseren Ende des Wellenleiters entgegengesetzt ist.
6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter eine einzige optische Faser enthält, deren ebenes äusseres Ende in unmittelbarer Nachbarschaft der Strahlungsfläche angeordnet ist.
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