DE3311808C2 - Halbleiterlaseranordnung mit einem Fabry-Perot-Interferometer - Google Patents

Halbleiterlaseranordnung mit einem Fabry-Perot-Interferometer

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Abstract

Die Vorrichtung besteht aus einem miniaturisierten Fabry-Perot-Resonator, der entweder aus einer Monomodefaser oder aus einem integriert optischen Lichtwellenleiter hergestellt ist. Die Resonatorspiegel sind direkt aufgebracht. Die Abstimmung des Resonators erfolgt entweder über die Temperatur oder - bei Verwendung elektrooptischer Materialien - über elektrische Felder. Dieser Fabry-Perot-Resonator dient der Überwachung von Spektren von Halbleiterlaserdioden. Dazu wird z. B. das vom Fabry-Perot-Resonator abgegebene Lichtsignal über einen Fotodetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt und über einen geeigneten Regelungskreis des Injektionsstroms des Halbleiterlasers gesteuert. Durch geeignete Wahl der Abmessungen des Fabry-Perot-Resonators können unterschiedliche Auflösungen erreicht und an die Aufgabenstellung angepaßt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaseranordnung mit einem Fabry-Perot-Interferometer, das einen einen thermisch durchstimmbaren Resonator bildenden Monomode-Lichtwellenleiter aufweist, dessen rechtwinklig zur Längsachse verlaufende Endflächen verspiegelt sind, und mit einem das vom Halbleiterlaser an dem ersten Ende des Lichtwellenleiters eingespeiste und am zweiten Ende des Lichtwellenleiters austretende Licht erfassenden Lichtdetektor.
Eine derartige einen Halbleiterlaser und ein Fabry-Perot-Interferometer enthaltende Anordnung ist bereits aus der EP 00 33 048 Al bekannt und wird insbe- sondere in der Spektrometrie eingesetzt Das bekannte Interferometer spricht auf Temperaturänderungen an, wobei diese jedoch als nachteilig angesehen werden, weshalb die Temperatur des Lichtwellenleiters mit Hilfe eines Thermostaten konstant gehalten wird
Bei einer aus der DE-OS 30 00 657 bekannten Anordnung zur Wellenlängenstabilisierung von Halbleiterlasern wird ein aus zwei parallel geschalteten Lichtwellenleitern aufgebautes Interferenzfilter eingesetzt In Strahlungsrichtung hinter dem Interferenzfilter ist ein Fotodetektor angeordnet, dessen Ausgangssignal verwendet wird, um die Temperatur des Halbleiterlaser und/oder den Injektionsstrom durch den Halbleiterlaser mittels einer elektronischen Schaltung zu regeln. Die bei der bekannten Anordnung einstellbaren Wellenlängen sind jedoch durch die periodische Transmissionsfunktion des aus zwei Wellenleitern bestehenden Interferenzfilters in einem vorgegebenen Raster festgelegt, so daß eine kontinuierliche Durchstimmung nicht möglich ist
In der DE-OS 25 01 422 ist ein frequenzgeregeltes Lasergerät beschrieben, bei dem ein temperaturgesteuertes Fabry-Perot-Etalon-Filter verwendet wird. Das Filter befindet sich in einem temperaturgesteuerten Gehäuse, das über eine Rohr- oder Schlauchleitung mit einem Temperatursteuerbad verbunden ist. Wegen der Wärmekapazität des Temperatursteuerbades kann die Temperatur des Filters nur langsam verstellt werden.
Aus der US-PS 33 08 394 ist eine optische Anordnung mit einem Fabry-Perot-Interferometer aus einem Stück eines Lichtwellenleiters bekannt, das von einem elektrisch beheizbaren Mantel zum thermischen Durchstimmen umgeben ist Im Manie! des bekannten thermisch durchstimmbaren Lichtwellenleiters ist ein Heizdraht vorgesehen, der in einem Isoliermantel eingebettet ist, das seinerseits von einem zylindrischen Gehäuse umgeben ist Aus diesem Grunde können Temperaturänderungen nur mit verhältnismäßig großer Trägheit vorgenommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterlaseranordnung mit einem Fabry-Perot-Interferometer zu schaffen, die durch eine hohe Stabilität und eine geringe Trägheit ausgezeichnet ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Monomode-Lichtwellenleiter zur Temperaturänderung eine an eine einstellbare Stromquelle angeschlossene Metallbeachichtung aufweist und die Wellenlänge des Halbleiterlasers über das Ausgangssignal des Lichtdetektors über eine Einrichtung zur Steuerung des Injektionsstromes des Halbleiterlasers stabilisiert ist
Dadurch, daß die Verstimmung des Fabry-Perot-lnterferometers mit Hilfe einer an eine Stromquelle angeschlossenen Metallbeschichtung erfolgt, ergibt sich wegen der geringen Wärmekapazität eine trägheitsarme Verstimmbarkeit des Fabry-Perot-Interferometers. Durch die Steuerung des Injektionsstromes kann die Wellenlänge des Halbleiterlasers schnell und mit hoher Stabilität nachgestimmt werden.
Besonders vorteilhaft ist die Halbleiterlaseranordnung wenn der Monomode-Lichtwellenleiter ein integriert optischer Lichtwellenleiter ist Eine solche Anordnung ist besonders kompakt und sehr trägheitsarm.
Es ist zwar aus Electronics Letters, März 1982, VoL 18, No. 5, S. 224—226 bekannt, einen Monomode-Lichtwellenleiter mit einer Metallbeschichtung zu versehen. Die bekannte Beschichtung aus Nickel ist jedoch eine magnetostriktiv wirksame Beschichtung mit deren Hilfe magnetische Felder unter Einsatz von Lichtwellenleitern erfaßt werden sollen. Eine derartige magnetostriktive Beschichtung legt es jedoch nicht nahe, eine thermisch wirksame Beschichtung vorzusehen, um eine trägheitsarme thermische Durchstimmbarkeit eines Lichtwellenleitcrs zu erreichen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbenpiele erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein faseroptisches Fabry-Perot-Interferometer in einer Seitenansicht zusammen mit einem Detektor und einer Auswerteelektronik,
F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Halbleiterlaseranordnung mit einem Fabry-Perot-Interferometer, das an einen Richtkoppler angeschlossen ist und
Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Fabry-Perot-Interferometer durch das von einem der beiden Laserspiegel abgestrahlte Licht unmittelbar über eine Optik und eine optische Richtungsleitung gespeist ist
Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung enthält als wesentliches Bauelement einen Fabry-Perot-Resonator. Er besteht aus einem in F i g. 1 vergrößert dargestellten kompakten Wellenleiter 1, dessen Enden 2 senkrecht zur Wellenleiterachse 8 stehen und eben sind. Diese Enden können entweder durch Polieren oder geeignetes Brechen hergestellt werden. Die Enden sind mit hochreflektierenden dielektrischen oder metallischen Spiegeln 3 versehen, die mindestens bei der zu untersu-
chenden Laserlicht-Wellenlänge eine Reflexion von >95% haben sollen. Das Licht des Halbleiterlasers 4 wird in den so aufgebauten Spektrumanalysator eingekoppelt In Abhängigkeit vom Spektrum des eingekoppelten Lichtes ergibt sich am Detektor 5 entsprechend s der Theorie des Fabry-Perot-Resonators ein Signal, das über eine Auswerteelektronik 6 v.varbeitet werden kann und zu einer Regelspannung 7 führt (F i g. I).
Der Lichtwellenleiter kann entweder aus einem Stück Monomode-Lichtfaser bestehen oder mit Hufe der integrierten Optik, z. B. Ti-Eindiffusion in liNbCb hergestellt werden.
Die Länge L des Fabry-Perot-Resonaiors bestimmt — zusammen mit dem Brechungsindex des Wellenleitermaterials (Quarz: η = 1,45, LiNbCb : η = 22) — den freien Spektralbereich Av = c/(2nL)des Resonators. Eine Länge L = 0J5 mm führt z. B. auf Δν = 200 GHz. Mit diesem freien Spektralbereich kann noch der Modenabstand von Halbleiterlasern gemessen werden, der z. B. bei AlGaAs-Dioden im Bereich von 150 GHz liegt Außerdem können Modensprünge des Halbleiterlasers sowie das in der Umgebung dieser Sprünge auftretende instabile Verhalten der Laseremission detektiert werden. Daher kann das abgegebene Signal 7 mit der Regelung des Injektionsstromes des Halbleiterlasers derart gekoppelt werden, daß die Laseremission im stabilen Bereich zwischen benachbarten Modensprüngen gehalten wird. Die Temperaturabhängigkeit der vom Halbleiterlaser emittierten Wellenlänge innerhalb eines solchen stabilen Bereiches beträgt bei AlGaAs-Halbleiterlaser 0,06 nm/K (130 GHz/K). Bei einer Finesse F = tcrl-(1 — r2Xr2 = Reflexionskoeffizient) von 30 (entsprechend r2 = 95%) und dem obengenannten freien Spektralbereich Δν = 200 GHz ergibt sich ein Auflösungsvermögen δν = Δν/F = 6,7 GHz, was bei einer Wellen- länge des Halbleiterlasers von z. B. 1 μίτι der Auflösung δλ = 0,022 nm entspricht Sind höhere Auflösungsvermögen gefordert, so muß der Fabry-Perot-Resonator länger gemacht werden, um damit den freien Spektralbereich zu verlängern. Eine Wellenleiterlänge von 30 mm beispielsweise führt auf Δν = 3,5 GHz, was einer Auflösung δν = 100 MHz bzw. δλ = 0,4 χ ΙΟ-3 nm zur Folge hat Die Genauigkeit, mit der ein solcher Spektralanalysator die Wellenlänge des Halbleiterlasers über eine geeignete Regelung zu stabilisieren gestattet, entspricht dieser Auflösung.
Im Fall der Hochfrequenz-Leistungsmodulation des Halbleiterlasers mit einer Frequenz Vm (z. B. 500 MHz) enthält das Spektrum des modulierten optischen Trägers neben der Trägerfrequenz vo (bei A0 = 1 μηι ist να = 3 χ 1014 Hz) die beiden Seitenbänder bei vo ± Vm. Der spektrale Abstand Vm dieser Seitenbänder kann z. B. mit einem Fabry-Perot-Resonator der Länge L = 30 mm und der Finesse F = 30 mühelos ausgelöst werden. Das Intensitätsverhältnis h (n) und Ix (V0 + Vm) erlaubt die Messung und somit Kontrolle des Modulationsgrades. Die Modulation von Halbleiterlaserdioden kann auf diese Weise einfach überwacht werden.
Um das Spektrum eines Halbleiterlasers zu messen, muß der Fabry-Perot-Resonator über seinen freien spektralen Bereich durchgestimmt werden. Bei üblichen Fabry-Perot-Resonatoren, die aus zwei mechanischen, hoch präzis gelagerten Spiegeln, zwischen denen sich Luft befindet, bestehen, erfolgt diese Abstimmung, d. h. die Veränderung der Resonatorlänge, über piezoelektrisehe Feintriebe. Die Finesse des Fabry-Perots darf bei dieser Durchstimmung in keinem Fall verändert werden, was zu einem erheblichen mechanischen Aufwand führt Im Falle des aus einem Lichtwellenleiter bestehenden Fabry-Perot-Resonators kann die Abstimmung einfacherweise durch Temperaturänderung des Wellenleiters erfolgen. Für eine volle Dm^hstimmung des freien spektralen Bereiches genügt bereits eine Temperaturänderung von 0,5 K. Verwendet man einen Monomode-Lichtwellenleiter als Resonator, so kann dieser mit einer Metallschicht belegt werden. Wird diese Metalischicht mit elektrischem Strom durchflossen, so wirkt sie als Heizwicklung. Dadurch kann eine sehr schnelle Temperaturänderung des Resonators bei geringem Leistungsverbrauch erzielt werden.
Die Ankopplung des Spektrumanalysators 9, wie er in F i g. 2 mit einer Metallbeschichtung 10 zur Temperaturdurchstinunung gezeigt ist an den Halbleiterlaser 11, der, vom Injektionsstrom 12 durchflossen wird und durch die Kombination einer Wärmesenke 13, eines PeI-tier-Elementes 14 und einer entsprechenden Elektronik 15 temperaturstabilisiert ist, kann durch einen Richtkoppler 16 erfolgen. Der Richtkoppler kann entweder aus einer Monomode-Faser oder in der Technik der integrierten Optik hergestellt sein. Zur Erhöhung des KopplungswirkuRgsgrades kann eine Optik 17 zwischen Halbleiterlaser 11 und Richtkoppler 16 eingesetzt werden. Um schädliche Rückreflexionen in dan Halbleiterlaser 11 zu vermeiden, ist eine optische Richtungsleitung 18, die z. B. aus einem gyromagnetischen Material bestehen kann, vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird ein Teil des vom Halbleiterlasers 11 abgestrahlten Lichtes über die Optik 17, die Richtungsleitung 18, den Richtkoppler 16, dem Fabry-Perot-Resonator 9 zugeführt Diese liefert ein vom Spektrum des Halbleiterlasers 11 abhängiges Ausgangssignal, das vom Detektor 19 in ein elektrisches Signal umgesetzt wird und über eine Auswerteelektronik 20 zu einem geeigneten Regelsignal 21 umgeformt wird. Die Abstimmung des Fabry-Perot-Resonators erfolgt durch Stromdurchfluß der Metallbeschichtungen 10, wobei die Stromquelle 22 entsprechend programmiert wird.
Eine andere Anordnung zur Ankopplung des Fabry-Perot-Resonators an den Halbleiterlaser zeigt Fig.3. Hierbei wird das vom hinteren Laserspiegel abgestrahlte Licht 23 des Halbleiterlasers 11 wiederum über eine Optik 17 und eine optische Richtungsleitung 18 in den Fabry-Perot-Resonator 9 eingestrahlt. Alle anderen Elemente entsprechen F i g. 2. In diesem Falle steht das Gesamte vom vorderen Laserspiegel 24 abgestrahlte Licht zur Verfügung.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Halbleiterlaseranordnung mit einem Fabry-Perot-Interferometei; das einen einen thermisch durch- s stimmbaren Resonator bildenden Monomode-Lichtwellenleiter aufweist, dessen rechtwinklig zur Längsachse verlaufende Endflächen verspiegelt sind, und mit einem das vom Halbleiterlaser an dem ersten Ende des Lichtwellenleiters eingespeiste und am zweiten Ende des Lichtwellenleiters austretende Licht erfassenden Lichtdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Monomode-Lichtwellenleiter (9) zur Temperaturänd erung eine an eine einstellbare Stromquelle (22) angeschlossene Me- is tallbeschichtung (10) aufweist und die Wellenlänge des Halbleiterlasers (11) fiber das Ausgangssignal (21) des lichtdetektor (19) ωιΊ über eine Einrichtung zur Steuerung des injektionsstromes (12) des Halbleiterlasers (11) stabilisiert ist
2. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Monomode-Lichtwellenleiter ein integriert optischer Lichtwellenleiter ist
25
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