DE3922120A1 - Verfahren zur gegenseitigen justierung zwischen einem laser und einer optischen linse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gegenseitigen Justierung zwischen einem Laser und einer nachgeschalteten optischen Linse in einem vorgebbaren Abstand.

In der optischen Nachrichtentechnik wird bei der Ankopplung von Lasern an Lichtwellenleiter in Richtung des vom Halbleiterlaser emittierten Lichtes eine Kollimatoroptik eingesetzt. Der Abstand zwischen der Laserendfläche und der nachgeschalteten Kollimatoroptik muß dabei im µm-Bereich justiert werden. Im Anschluß daran folgt eine Fixierung der Linse. Bisherige Verfahren sehen zur Einstellung des Abstandes zwischen Laser und einer Linse der Kollimatoroptik den Einsatz eines Mikros­ kopes vor, das senkrecht zur optischen Achse beobachtet. An das Mikroskop kann je nach Bedarf eine Fernsehkamera angeschlossen sein. Durch entsprechende Bildverarbeitungsverfahren wird eine Korrekturgröße erzeugt und auf einen Verstellmechanismus für die Linsenhalterung gegeben. Die Ungenauigkeit dieses auf einer optischen Abbildung basierenden Verfahrens liegt aus physikali­ schen Gründen in der Größenordnung der Wellenlänge des zur Beo­ bachtung verwendeten Lichtes. Die Ungenauigkeit der Justierung läßt sich somit grundsätzlich nicht weiter reduzieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Justierung einer einem Laser nachgeschalteten Linse bereitzu­ stellen, wobei die Genauigkeit der Justierung in Bereichen er­ möglicht werden soll, die kleiner, als die Wellenlänge des Laserlichtes sind. Des weiteren soll eine Anordnung zur Durch­ führung des Verfahrens geliefert werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Justier­ verfahren zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Auskoppelspiegel eines Lasers und einer nachgeschalteten Linse mit einer Genauigkeit von einem Bruchteil der Laserwellenlänge ermöglicht wird, indem der Einfluß des von der nicht entspiegelten laserseitigen Oberfläche der Linse zurück­ reflektierten Laserlichtes auf die Güte des gekoppelten Resona­ torsystems, bestehend aus dem Laserresonator und der lasersei­ tigen Linsenoberfläche, als Funktion des Abstandes ausgewertet wird.

Das von dieser Linsengrenzfläche wieder durch den Auskoppel­ spiegel in den Laserresonator zurückreflektierte Licht der Wel­ lenlänge λ weist bei seinem Eintritt in den Laser eine vom Ab­ stand d abhängige Phasenverschiebung Δϕ auf:

und interferiert dort mit dem direkt am Auskoppelspiegel reflektierten Lichtwellenzug.

Je nach Größe des Abstands d führt dies entweder zu einer Er­ höhung der Güte des gekoppelten Resonatorsystems durch konstruktive Interferenz:

oder zu einer Erniedrigung der Güte durch destruktive Interfe­ renz:

In diesen Beziehungen ist bereits der Phasensprung um Δϕ=π bei der Reflexion am optisch dichteren Medium der Linse berücksich­ tigt. Bezüglich des Auskoppelspiegels wurde hier von einer Reflexion am optisch dünneren Medium ohne Phasensprung ausge­ gangen, wie sie z.B. bei Halbleiterlasern ohne zusätzliche Ver­ spiegelung der Laserendfläche vorliegt. Andernfalls sind die Phasenbedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz gegeneinander zu vertauschen.

Demzufolge bewirkt eine kontinuierliche Zu- oder Abnahme des Abstands d im Verlauf einer Justierbewegung der Linse eine periodische Variation der Resonatorgüte und somit auch entspre­ chende Schwankungen der bei konstanter Pumpleistung abgegebenen Laserausgangsleistung. Diese Schwankungen sind besonders aus­ geprägt, wenn der Laser nur knapp oberhalb seiner Schwelle gepumpt wird.

Die Messung der Laserleistung, z.B. mit Hilfe eines der Linse nachgeschalteten Fotodetektors, liefert also ein meßtechnisch leicht zugängliches Maß für die Güte des gekoppelten Resonator­ systems. Durch eine geeignete Auswertung dieser Laserleistungs­ schwankungen läßt sich somit die bei einer Justierbewegung zu­ rückgelegte Wegstrecke auf einen Bruchteil der Laserwellenlän­ ge genau ermitteln.

Der Justiervorgang kann in einfacher Weise beim Abstand d = 0, d.h. mit am Auskoppelspiegel anliegender Linsenoberfläche beginnen.

Für das Durchlaufen einer Schwankungsperiode der Laserleistung, z.B. von einem Maximum (bzw. Minimum) zum nächsten, muß sich der Abstand um genau eine halbe Wellenlänge des Laserlichts verändert haben. Durch eine entsprechende Auswertung der Schwankungen der Laserleistung, z.B. durch Auszählen der Maxima und/oder Minima, kann damit jeder beliebige Abstand zwischen Linse und Laser ermittelt werden. Bei Erreichen des Soll-Abstands wird der Justierantrieb angehalten und die Linse in ihrer Position fixiert.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung zur meßtechnischen Verbesserung sieht vor, daß anstelle der mit einem Untergrund behafteten Laserleistung die erste Ableitung der Laserleistung nach dem Abstand gemessen und ausgewertet wird. Dies kann in sehr einfacher Weise durch Aufprägen einer hochfrequenten Modulation des Abstands mit im Verhältnis zur Laserwellenlänge kleiner Amplitude und einer hiermit synchronen phasenempfindlichen Demodulation des zur Laserleistung proportionalen Ausgangssignales des Photodetektors geschehen. Das Ausgangssignal dieser phasenempfindlichen Demodulation weist bei allen Extrema (Maxima oder Minima) der Laserleistung einen meßtechnisch leicht detektierbaren Nulldurchgang auf.

Für die verlangten Wegstrecken beim Justiervorgang mit ent­ sprechender Genauigkeit ist ein piezoelektrischer Antrieb von Vorteil.

Anstelle eines der Linse nachgeschalteten Fotodetektors kann zur Messung der Laserleistung auch eine in Bezug auf den Laser rückwärtige auf der optischen Achse angeordnete Monitordiode verwendet werden. Da derartige Monitordioden üblicherweise ohnehin zur Leistungskontrolle in Laser-Modulen für die optische Nachrichtentechnik eingebaut werden, stellt diese Ausgestaltung der Erfindung bei derartigen Anwendungen eine Vereinfachung dar.

Im folgenden wird anhand der schematischen Figur ein Ausfüh­ rungsbeispiel beschrieben.

Die Figur zeigt eine Anordnung zur automatischen Justierung einer Linse 2 bezüglich eines Lasers 1.

In der Figur wird eine Anordnung gezeigt, die entlang einer optischen Achse 6 eine Monitordiode 8, einen Laser 1, eine Linse 2 und einen Fotodetektor 7 aufweist. Das im Laser 1 er­ zeugte Licht wird über den teildurchlässigen Auskoppelspiegel 4 in Richtung auf die optische Linse 2 emittiert. Ein Teil dieses Lichtes wird an der Oberfläche 3 der Linse 2 reflektiert und durch den Auskoppelspiegel 4 wieder in den Laser 1 eingekoppelt. Der Abstand d zwischen Laser 1 und Linse 2 soll entsprechend einer Vorgabe genau justiert werden. Die Laserleistung weist bei zu- oder abnehmendem Abstand d eine durch das an der Oberfläche 3 der Linse 2 zurückreflektierte Licht verursachte periodische Schwankung auf. Ist der Abstand d konstant, so ändert sich die relative Phasenlage des in den Laser zurück­ reflektierten Lichts und somit die Laserleistung nicht. Die Messung der Laserleistung kann entweder über einen Fotodetek­ tor 7 geschehen, der auf der optischen Achse 6 hinter der Linse 2 angeordnet ist. Falls der Laser-Modul bereits eine Monitor­ diode 8 beinhaltet, wobei der dem Auskoppelspiegel 4 gegenüber­ liegende Laserspiegel ebenfalls teildurchlässig sein muß, kann zur Vereinfachung diese Monitordiode 8 zur Messung der Laserleistung benutzt werden. Sie würde dann anstelle der Foto­ diode 7 auf den Synchrondemodulator 9 geschaltet werden. Das Ausgangssignal 15 des Synchrondemodulators 9 ist proportional zur ersten Ableitung der Laserleistung nach dem Abstand d.

Die Justierung der Linse 2 erfolgt in der Bewegungsrichtung 5 entlang der optischen Achse 6. Justierungen senkrecht zur op­ tischen Achse 6 werden durch andere Verfahren vorgenommen. Der langsamen Verschiebung der Linse 2 in Bewegungsrichtung 5 ist eine im Verhältnis dazu hochfrequente Oszillation der Linsen­ position mit einer im Verhältnis zur Laserwellenlänge kleinen Amplitude überlagert. Mittels des Justierantriebes 12 wird die Linse 2 zunächst grobjustiert, wobei sie in einem Abstand d von dem Auskoppelspiegel 4 positioniert wird, der einem mehrfachen der Viertelwellenlänge des Laserlichtes entspricht. Dies ist die Entfernung zwischen zwei benachbarten Extrema (Maxima und Minima) der Laserleistung bzw. zwischen zwei benachbarten Nulldurchgängen des zur ersten Ableitung der Laserleistung nach dem Abstand d proportionalen Ausgangssignals 15 des Synchronde­ modulators 9. Hierzu kann in einfacher Weise mit einem Abstand d = 0 begonnen werden. Bei konstanter Pumpleistung am Laser liegt beim Abstand d = 0 eine destruktive Interferenz vor. Dies entspricht dem ersten Nulldurchgang des Ausgangssignals 15 des Synchrondemodulators 9. Wird nun die Linse 2 durch den Justier­ antrieb 12 schrittweise vom Laser 1 und dessen Auskoppelspiegel 4 entfernt, so wird bei jeder weiteren Verschiebung um Δd = λ/4 ein Extremum der Laserleistung und somit ein Nulldurch­ gang im Ausgangssignal 15 des Synchrondemodulators 9 durchlaufen. Diese Grobjustierung des Abstands d auf ein ganz­ zahliges Vielfaches von einer Viertelwellenlänge d kann in einfacher Weise durch Abzählen der Nulldurchgänge dieses Ausgangssignals 15 erfolgen. Bei Bedarf läßt sich durch eine nachfolgende Feinjustierung die Positioniergenauigkeit noch weiter verbessern, wobei eine Reihe von bekannten Interpolationsverfahren zur Anwendung kommen können.

Die Auswertung des Ausgangssignals 15 des Synchrondemodulators 9 und die Umsetzung in ein Ansteuersignal 16 für den Justier­ antrieb 12 erfolgt in einer Signalauswertung 10, was entweder in Form einer speziellen Analogschaltung oder durch einen Mikro-Computer mit entsprechenden Schnittstellen und einer ge­ eigneten Software realisiert werden kann.

Dieses System steuert den gesamten Justiervorgang bis zum Erreichen der Sollposition und löst dann die Fixierung der Linse 2 aus. Dem von der Signalauswertung 10 abgegebenen An­ steuersignal 16 wird in einer Summationsstufe 11 noch das Aus­ gangssignal des Oszillators 13 überlagert.

Claims (8)

1. Verfahren zur gegenseitigen Justierung zwischen einem Laser (1) und einer nachgeschalteten optischen Linse (2) in einem vorgebbaren Abstand (d), wobei beide Bauteile auf einer opti­ schen Achse (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der Güte des gekoppelten Systems aus dem Resonator des Lasers (1) und reflektierender Oberfläche (3) der Linse (2) von dem Abstand (d) erfaßt und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Laserpumpleistung als Maß für die Güte des gekoppelten Resonatorsystems die Laserleistung des Lasers (1) gemessen wird und deren Abhängigkeit von dem Abstand (d) erfaßt und ausgewertet wird.

3. Verfahren nach einem des vorhergehenden Anspruches, dadurch gekennzeichnet, daß der Justiervorgang mit an dem Auskoppelspiegel (4) des Lasers (1) anliegender Linse (2) beginnt, wobei d = 0 ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ableitung der Laserleistung nach dem Abstand (d) zur Bestimmung des Abstands (d) ausgewertet wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Meß- und Positioniersystem, bestehend aus

• - Fotodetektor (7),
• - Synchrondemodulator (9),
• - Oszillator (13),
• - Signalauswertung (10), mit Ansteuerung des Justierabtriebs (12),
• - Summationsstufe (11)
• - Justierantrieb (12),
• - Laseransteuerung (14),

wobei der Justierantrieb (12) zur Verstellung der Linse (2) relativ zum Laser (1) dient.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Justierantrieb (12) ein piezoelektrischer Antrieb ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Fotodetektors (7) eine Monitordiode (8) ein­ gesetzt wird.