DE3543510A1 - Anordnung zur stabilisierung der emmisionsfrequenz eines halbleiter-lasers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Stabilisierung der Emissionsfrequenz eines Halbleiter- Lasers mit einer einen Teil der Strahlungsleistung in den Laser reflektierenden Gitterstruktur, deren Gitterkonstante der Stabilisierungsfrequenz angepaßt ist. Eine derartige Anordnung ist durch "Electronic Letters", Vol. 17, No. 9, Seiten 326-328 bekannt.

In der optischen Nachrichten- und Meßtechnik werden zunehmend Halbleiter-Laser als Lichtquellen eingesetzt, welche eine Anzahl von Emissionslinien abstrahlen, deren Linienbreiten durch Wahl der Geometrie der aktiven Zone des Lasers relativ schmal gestaltet werden können. In der Praxis jedoch ist die Unterdrückung unerwünschter Spektrallinien im Ausgangssignal des Lasers oft ungenügend, so daß externe Stabilisierungsmaßnahmen notwendig werden. Im wesentlichen beruhen bekannte Stabilisierungsmaßnahmen darauf, einen geringen Anteil des Lichts in die aktive Zone des Lasers zurückzureflektieren, um eine verstärkte Emission bei dieser Frequenz zu induzieren. Außer der Stabilisierung ergibt sich auch eine erhebliche Verschmälerung der Emissionslinienbreite. Das ist insbesondere dann erwünscht, wenn der Laser in einem optischen System mit Überlagerungsempfang betrieben wird, da dann auch die spektrale Breite des Zwischenfrequenz­ signals klein wird.

Der Abstand der Gitterstruktur muß zum Laser genau eingestellt werden. Dazu ist eine aufwendige Mikromechanik erforderlich.

Eine optimale Verstärkung einer möglichst schmalen Emissionslinie ergibt sich nur dann, wenn die Gitterkonstante den innerhalb eines Streubereichs unterschiedlichen geometrischen Daten eines jeweiligen Lasers genau angepaßt ist. Aus den genannten Gründen werden stabilisierte Laser bisher praktisch nur unter Laborbedingungen betrieben und sind wenig robust. Eine spätere Nachjustierung ist nicht oder nur mit hohem Aufwand an Mikromechanik möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine genauere und einfachere Stabilisierung einer gewünschten Emissionslinie des Halbleiter-Lasers ermöglicht.

Die Lösung gelingt dadurch, daß die Gitterstruktur in einem Abschnitt eines Monomode-Lichtwellenleiters durch in Strahlrichtung im Abstand der Gitterkonstante aufeinanderfolgende, in Querschnittsrichtung aufgebrachte statische Druckkräfte gebildet ist, welche durch einen am Monomode-LWL anliegenden Druckgenerator erzeugt sind, und daß die Abstände der Druckmaxima und/oder deren axiale Lage zur Strahlrichtung durch elektrisch betätigte Steuerungsmittel veränderbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Gitterstruktur in einem Licht­ wellenleiter durch Kräfte eines externen Druckgenerators erzeugt. Die auf den LWL im Abstand der Gitterstruktur einwirkenden Kräfte bewirken periodische Änderungen des ursprünglichen Brechungsindex. Deshalb entstehen Reflexionen nur desjenigen Lichts, dessen Wellenlänge im Kern des Lichtwellenleiters zumindest annähernd der Bedingung λ _r =2 s/k genügt, wobei s der Abstand der Druckmaxima bzw. die Gitterkonstante und k eine beliebige jedoch möglichst kleine ganze Zahl ist.

Da die Gitterkonstante s durch elektrische Steuerung veränderbar ist, kann der Wert λ _r genau beispielsweise der Wellenlänge g _L der mit maximaler Intensität vom Laser abgestrahlten Emissionslinie angepaßt werden. Selbstverständlich sind aber auch wahlweise andere Emissionslinien des Lasers verstärkbar. Dabei bleibt die gewünschte Wellenlänge des Lasers nach fester Einstellung der Werte der Gitterstruktur stabil erhalten. Die optimale Verstärkung einer schmalbandigen Emissionslinie mit im gewissen Umfang vorgebbarer Wellenlänge wird ohne jeglichen Aufwand an Mikromechanik durch einfache, trägheitslose elektrische Steuereingriffe ermöglicht.

Die Druckkräfte können durch Druckgeneratoren beliebiger bekannter Art erzeugt werden, beispielsweise elektro­ magnetisch, sofern eine genaue Beeinflussung des Ortes und der Größe der einzelnen Druckkräfte auf elektrischem Wege möglich ist.

Eine bevorzugte Lösung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgenerator aus einem längs des Monomode-LWL angedrückten Festkörperblock besteht, in welchem eine stehende akustische Welle entlang des Monomode-LWL erzeugt ist. Zahlreiche aufeinanderfolgende Maxima einer stehenden akustischen Welle können derart auf einfache Weise in sehr engem und jeweils gleichem Abstand zueinander erzeugt werden. Dann erhält man eine besonders schmale Linien­ breite der Emission des Lasers.

Besonders vorteilhaft läßt sich die stehende akustische Welle durch piezoelektrische Wandler erzeugen, welche an gegenüberliegenden Stirnseiten des Festkörperblocks nahe dem Monomode-LWL einander gegenüberliegen.

Die Gitterstruktur kann direkt in einem die Emission des Lasers führenden Monomode-LWL (pigtail) gebildet werden. Es ist jedoch auch vorteilhaft möglich, dem Druckgenerator einen speziellen Abschnitt eines Monomode-LWL insbesondere in Form eines planaren LWL fest zuzuordnen.

Die Stabilität und Genauigkeit der stehenden akustischen Welle werden dadurch verbessert, daß der von dem Monomode-LWL entferntere Bereich des Festkörperblocks mit akustische Frequenzen dämpfenden Massen belegt ist.

Es ist empfehlenswert, daß die beiden piezoelektrischen Wandler gleich aufgebaut sind sowie mit gleicher aber einstellbarer Frequenz und/oder Amplitude erregt werden. Damit läßt sich besonders einfach erreichen, daß die von den beiden piezoelektrischen Wandlern ausgehenden gegeneinanderlaufenden akustischen Wellen gleichfrequent und amplitudengleich sind, so daß sich praktisch eine reine stehende Welle ergibt. Durch die Änderung der relativen Phasenlage der gegenläufigen Wellen läßt sich der Abstand der gebildeten Gitterstrukturen zum Laser auf optimale Verhältnisse einstellen.

Die Einstellgenauigkeit der Wellenlänge λ _r der reflek­ tierten Strahlung wird dadurch verbessert, daß die akustische Erregerfrequenz der piezoelektrischen Wandler größer als 50 MHz ist. Vorteilhaft wird die akustische Erregerfrequenz durch eine quarzstabilisierte elektrische Erreger-Wechselspannung erzeugt.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Stabilisierung eines Halbleiter-Lasers.

Die Ausgangsleistung PL des Halbleiter-Lasers 1 wird in dem Monomode-LWL 2 geführt, welche zwischen zwei aus Aluminium bestehende Blöcke 3 und 4 unter Druck eingespannt ist. An den Stirnseiten des Blocks 3 sind zwei piezoelektrische Wandler 5 und 6 zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen angeordnet, welche entlang des LWL verlaufen. Der Piezoelektrische Wandler 5 ruft im wesentlichen nach links laufende, der piezoelektrische Wandler 6 im wesentlichen nach rechts laufende akustische Wellen hervor. Beide Teilwellen gleicher Frequenz überlagern sich an der Oberfläche zu einer stehenden akustischen Welle 9. Aufgrund des Druckkontaktes zwischen dem Block 3, der Faser 2 und dem starren Block 4 übertragen sich die Oberflächenwellen vom Block 3 auf die Faser 2 und rufen in deren Kern ortsabhängige Schwankungen des Brechungsindex n hervor. Durch geeignete Wahl der akustischen Frequenz fA des Generators 10 kann erreicht werden, daß die Maxima bzw. Minima des Brechungsindex im Abstand

s = k · λ _r /2

aufeinanderfolgen. Dabei ist keine beliebige, jedoch möglichst kleine ganze Zahl. Dann wird nur dasjenige Licht der Ausgangsleistung PL des Lasers zurückgestrahlt, welches die Wellenlänge λ _r aufweist. Die Anteile der hinlaufenden Ausgangsleistung PL des Lasers interferieren konstruktiv mit einer rücklaufenden Welle PR, welche in den Laser gelangt und dort die Stabilisierung hervorruft. Die Amplitude der rücklaufenden Welle kann dadurch verändert werden, daß man am Dämpfungsglied 11 die Amplituden der akustischen Teilwellen einstellt und somit auch die Stärke der Brechungsindex-Schwankungen in der Faser beeinflußt.

Die Phase der reflektierten Welle, die ebenfalls für den Stabilisierungseffekt von Bedeutung ist, wird eingestellt, indem man am Phasenschieber 12 die Phasenlage der Teilwelle 8 verändert. Damit verschiebt sich auch die räumliche Lage der stehenden Welle 9 und somit auch die der örtlichen Brechungsindex-Schwankungen.

Um zu vermeiden, daß sich neben der stehenden Welle 9 auch noch hin- oder rücklaufende Anteile der akustischen Teilwellen auf die Faser übertragen, sollten die piezoelektrischen Wandler möglichst gleich beschaffen sein und mit gleichgroßen Signalen gespeist werden. Eventuell an den Erregungsstrukturen reflektierte Anteile der Teilwellen 7 und 8 stören den Betrieb nicht, da sie gleichgroß sind und sich wiederum zu einer stehenden Welle überlagern, die insgesamt zur stehenden Welle 9 beiträgt. Oberflächenwellen am Block 3, die nicht an der der Faser zugewandten Oberfläche laufen, werden durch Dämpfungskitt 13 beseitigt.

Der Aufbau von piezoelektrischen Wandlern zur Erzeugung von Oberflächenwellen ist beispielsweise durch "Applications of Edge-Bonded Transducers to SAW Components" von C. Ledardt und P. Defranould, Proc. IEEE, vol. 64, Seiten 627-630, 1976, bekannt.

Für das beschriebene Ausführungsbeispiel wurde ein Aluminium-Block 3 mit einer Länge von 20 mm zwischen den piezoelektrischen Wandlern 5 und 6 gewählt. Die Nennwellenlänge des Lasers 1 betrug 1,3 µm. Bei einem Brechungsindex des Kerns des LWL von n=1,5 ergab sich somit im LWL eine Wellenlänge von 0,87 µm. Bei einer akustischen Frequenz f _A von etwa 100 MHz stellte sich ein Abstand der Druckmaxima von etwa 31,5 µm ein.

Die in der Figur dargestellte Anordnung erwies sich als geeignet, monochromatisches Licht mit in gewissem Bereich einstellbarer Wellenlänge zu erzeugen.

Claims (10)

1. Anordnung zur Stabilisierung der Emissionsfrequenz eines Halbleiter-Lasers mit einer einen Teil der Strahlungsleistung in den Laser reflektierenden Gitterstruktur, deren Gitterkonstante der Stabilisierungsfrequenz angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur in einem Abschnitt eines Monomode-Lichtwellenleiters (2) durch in Strahlrichtung im Abstand der Gitterkonstante (s) aufeinanderfolgende, in Querschnittsrichtung aufgebrachte statische Druckkräfte gebildet ist, welche durch einen am Monomode-LWL anliegenden Druckgenerator (3, 5, 6) erzeugt sind, und daß die Abstände der Druckmaxima und/oder deren axiale Lage zur Strahlrichtung durch elektrisch betätigte Steuerungsmittel veränderbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgenerator aus einem längs des Monomode-LWL angedrückten Festkörperblock (3) besteht, in welchem eine stehende akustische Welle (9) entlang des Monomode-LWL erzeugt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stehende akustische Welle (9) durch piezoelektrische Wandler (5, 6) erzeugt ist, welche an gegenüberliegenden Stirnseiten des Festkörperblocks (9) nahe des Monomode-LWL (2) einander gegenüberliegen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Monomode-LWL (2) eine Stufenindex-Faser ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Monomode-LWL (2) ein planarer Lichtwellenleiter ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Monomode-LWL entferntere Bereich des Festkörperblocks (3) mit akustische Frequenzen dämpfenden Massen (13) belegt ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Wandler (5, 6) gleich aufgebaut sind sowie mit gleicher aber einstellbarer Frequenz (fA) und/oder Amplitude erregt werden.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der erzeugten Schwingungen (7, 8) der beiden piezoelektrischen Wandler (5, 6) unterschiedlich einstellbar sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Erreger­ frequenz (fA) der piezoelektrischen Wandler (5, 6) größer als 50 MHz ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Erreger­ frequenz (fA) durch eine quartzstabilisierte elektrische Erreger-Wechselspannung erzeugt ist.