DE3922120A1 - Mutual adjustment between laser and optical lens - evaluates quality of coupling from laser resonator and lens reflective surface - Google Patents

Mutual adjustment between laser and optical lens - evaluates quality of coupling from laser resonator and lens reflective surface

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Abstract

The optical lens (2) is coupled behind the laser (1) in a presettable spacing (d), with both components lying on an optical axis (6). The dependence of the quality of the coupled system of the laser resonator and the lens reflecting surface (3) is detected and evaluated. At a constant laser pumping output, the laser output is measured as a quality rate of the coupled resonator system, with it dependence on the mutual spacing detected and evaluated. The measuring and positioning system contains a photodetector (7), sync. demodulator (9), oscillator (13), signal evaluation (10), summation stage (11), and laser exciter (14). USE/ADVANTAGE - Optical telecommunications systems, with precise adjustment in regions smaller than laser light wavelength.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gegenseitigen Justierung zwischen einem Laser und einer nachgeschalteten optischen Linse in einem vorgebbaren Abstand.The invention relates to a method for mutual Adjustment between a laser and a downstream one optical lens at a predeterminable distance.

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.In optical communications technology, the coupling of Lasers on optical fibers in the direction of the semiconductor laser emitted light uses collimator optics. The Distance between the laser end face and the downstream one Collimator optics must be adjusted in the µm range. This is followed by a fixation of the lens. Previous See procedures for adjusting the distance between lasers and a lens of the collimator optics the use of a micros kopes that observed perpendicular to the optical axis. To the Microscope can connect a TV camera as needed be. By means of appropriate image processing methods, a Correction variable generated and on an adjustment mechanism for given the lens holder. The inaccuracy of this on one optical imaging-based method lies in physi reasons in the order of the wavelength of the Beo light used. The inaccuracy of the adjustment cannot be further reduced in principle.

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.The invention has for its object a method for Adjustment of a lens downstream of a laser ready ask, the accuracy of the adjustment in areas he should be possible that is smaller than the wavelength of the Are laser light. Furthermore, an arrangement for through management of the process.

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.The invention is based on the finding that an adjustment procedure for setting the distance between the Coupling mirror of a laser and a downstream one  Lens with an accuracy of a fraction of the Laser wavelength is made possible by the influence of the non-reflective laser-side surface of the lens back reflected laser light on the quality of the coupled Resona door systems, consisting of the laser resonator and the laser series term lens surface, evaluated as a function of distance becomes.

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:That from this lens interface again through the decoupling mirrors reflected back into the laser resonator lenlength λ shows one of the ab when entering the laser stood d dependent phase shift Δϕ:

und interferiert dort mit dem direkt am Auskoppelspiegel reflektierten Lichtwellenzug.and there interferes with that directly at the decoupling mirror reflected light wave train.

Je nach Größe des Abstands d führt dies entweder zu einer Er­ höhung der Güte des gekoppelten Resonatorsystems durch konstruktive Interferenz:Depending on the size of the distance d, this either leads to an Er increase in the quality of the coupled resonator system constructive interference:

oder zu einer Erniedrigung der Güte durch destruktive Interfe­ renz:or degradation of goodness through destructive interference 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.In these relationships the phase shift by Δϕ = π is already at the reflection on the optically denser medium of the lens does. Regarding the decoupling mirror was here from one Reflection on the optically thinner medium without phase jump as they e.g. for semiconductor lasers without additional ver reflection of the laser end face is present. Otherwise they are  Phase conditions for constructive and destructive interference to exchange for each other.

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.As a result, a continuous increase or decrease in Distance d in the course of an adjustment movement of the lens periodic variation of the resonator quality and thus also correspond appropriate fluctuations in the output at constant pump power Laser output power. These fluctuations are particularly noticeable shaped when the laser is just above its threshold is pumped.

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.The measurement of the laser power, e.g. using one of the lens downstream photodetector, so provides a measurement easily accessible measure of the quality of the coupled resonator systems. Through a suitable evaluation of this laser power fluctuations can thus be caused by an adjustment movement Distance traveled on a fraction of the laser wavelength determine exactly.

Der Justiervorgang kann in einfacher Weise beim Abstand d = 0, d.h. mit am Auskoppelspiegel anliegender Linsenoberfläche beginnen.The adjustment process can be carried out in a simple manner at the distance d = 0, i.e. with the lens surface against the decoupling mirror kick off.

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.For going through a period of fluctuation in laser power, e.g. from one maximum (or minimum) to the next, must the distance by exactly half a wavelength of the laser light have changed. By an appropriate evaluation of the Fluctuations in laser power, e.g. by counting the maxima and / or minima, so that any distance between Lens and laser can be determined. When the The adjustment drive and the lens are stopped at the desired distance fixed in position.

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.A special embodiment of the invention for metrological Improvement stipulates that instead of using a subsurface affected laser power the first derivative of the laser power is measured and evaluated according to the distance. This can be done in very easy way by impressing a high frequency Modulation of the distance in relation to the laser wavelength  small amplitude and one synchronized with it phase sensitive demodulation of the laser power proportional output signals of the photodetector happen. The output signal of this phase sensitive demodulation shows the laser power at all extremes (maxima or minima) a zero crossing that is easily detectable by measurement.

Für die verlangten Wegstrecken beim Justiervorgang mit ent­ sprechender Genauigkeit ist ein piezoelektrischer Antrieb von Vorteil.For the required distances during the adjustment process with ent speaking accuracy is a piezoelectric drive from Advantage.

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.Instead of a photo detector downstream of the lens to measure the laser power also one related to the laser rear monitor diode arranged on the optical axis be used. Because such monitor diodes are usually anyway for performance control in laser modules for the optical communications technology are installed, this provides Embodiment of the invention in such applications Simplification.

Im folgenden wird anhand der schematischen Figur ein Ausfüh­ rungsbeispiel beschrieben.In the following, an execution is based on the schematic figure Example described.

Die Figur zeigt eine Anordnung zur automatischen Justierung einer Linse 2 bezüglich eines Lasers 1.The figure shows an arrangement for automatically adjusting a lens 2 with respect to a laser 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.In the figure, an arrangement is shown which has a monitor diode 8 , a laser 1 , a lens 2 and a photodetector 7 along an optical axis 6 . The light generated in the laser 1 is emitted via the partially transparent coupling mirror 4 in the direction of the optical lens 2 . Part of this light is reflected on the surface 3 of the lens 2 and is coupled back into the laser 1 through the coupling mirror 4 . The distance d between laser 1 and lens 2 is to be precisely adjusted according to a specification. With increasing or decreasing distance d, the laser power exhibits a periodic fluctuation caused by the light reflected back on the surface 3 of the lens 2 . If the distance d is constant, the relative phase position of the light reflected back into the laser and thus the laser power does not change. The measurement of the laser power can either be done via a photodetector 7 , which is arranged on the optical axis 6 behind the lens 2 . If the laser diode module already includes a monitor 8, wherein the output mirror 4 must be the opposite laser mirror also partially transmissive, may be used to simplify this monitor diode 8 for measuring the laser power. You would then be switched to the synchronous demodulator 9 instead of the photo diode 7 . The output signal 15 of the synchronous demodulator 9 is proportional to the first derivative of the laser power after the distance 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.The lens 2 is adjusted in the direction of movement 5 along the optical axis 6 . Adjustments perpendicular to the optical axis 6 are made by other methods. The slow displacement of the lens 2 in the direction of movement 5 is superimposed on a high-frequency oscillation of the lens position with a small amplitude in relation to the laser wavelength. By means of the Justierantriebes 12, the lens 2 is first roughly adjusted, while at a distance d is positioned by the output mirror 4, of a multiple of the quarter wavelength of the laser light corresponds to. This is the distance between two adjacent extremes (maxima and minima) of the laser power or between two adjacent zero crossings of the output signal 15 of the synchronous modulator 9, which is proportional to the first derivative of the laser power according to the distance d. For this purpose, a distance d = 0 can be started in a simple manner. With constant pump power at the laser, there is destructive interference at the distance d = 0. This corresponds to the first zero crossing of the output signal 15 of the synchronous demodulator 9 . Now, if the lens 2 is driven by the adjusting member 12 gradually from the laser 1 and the output mirror 4 is removed, so is at every other shift .DELTA.d = λ / 4 an extremum of the laser power and hence a zero crossing of the output signal 15 of the synchronous demodulator pass through. 9 This rough adjustment of the distance d to an integer multiple of a quarter wavelength d can be done in a simple manner by counting the zero crossings of this output signal 15 . If necessary, the positioning accuracy can be further improved by a subsequent fine adjustment, whereby a number of known interpolation methods can be used.

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.The evaluation of the output signal 15 of the synchronous demodulator 9 and the conversion into a control signal 16 for the adjustment drive 12 takes place in a signal evaluation 10 , which can be implemented either in the form of a special analog circuit or by a microcomputer with appropriate interfaces and suitable software .

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.This system controls the entire adjustment process until the desired position is reached and then triggers the fixation of the lens 2 . The output from the signal evaluation 10 to control signal 16 is still superimposed on the output signal of the oscillator 13 in a summation stage 11 .

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.1. A method for mutual adjustment between a laser ( 1 ) and a downstream optical lens ( 2 ) at a predeterminable distance (d), both components being arranged on an optical axis ( 6 ), characterized in that the dependence on the quality of the coupled system from the resonator of the laser ( 1 ) and reflecting surface ( 3 ) of the lens ( 2 ) from the distance (d) is detected and evaluated. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that at constant laser pump power as a measure of the quality of the coupled resonator system, the laser power of the laser ( 1 ) is measured and its dependence on the distance (d) is detected and evaluated. 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.3. The method according to any one of the preceding claim, characterized in that the adjustment process begins with the coupling mirror ( 4 ) of the laser ( 1 ) adjacent lens ( 2 ), where d = 0. 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.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the first derivative of the laser power after the distance (d) is evaluated to determine the distance (d). 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),
5. Arrangement for performing the method according to claims 1 to 4, characterized by a measuring and positioning system consisting of
  • - photo detector ( 7 ),
  • - synchronous demodulator ( 9 ),
  • - oscillator ( 13 ),
  • - signal evaluation ( 10 ), with control of the adjustment drive ( 12 ),
  • - summation level ( 11 )
  • - adjustment drive ( 12 ),
  • - laser control ( 14 ),
wobei der Justierantrieb (12) zur Verstellung der Linse (2) relativ zum Laser (1) dient.the adjusting drive ( 12 ) being used to adjust the lens ( 2 ) relative to the laser ( 1 ). 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Justierantrieb (12) ein piezoelektrischer Antrieb ist.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the adjusting drive ( 12 ) is a piezoelectric drive. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Fotodetektors (7) eine Monitordiode (8) ein­ gesetzt wird.7. Arrangement according to claim 5, characterized in that a monitor diode ( 8 ) is set instead of a photodetector ( 7 ).
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