DE4031372A1 - Vorrichtung zur frequenzstabilisierung einer laserdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung einer Laser­ diode mit einem Regelkreis zur Steuerung des Laserdiodenstromes.

Laserdioden finden ein weites Einsatzfeld im Bereich der Kommunikations­ technik, der Spektroskopie, der Interferometrie und der Sensorik. Eine Limitie­ rung dieser Einsatzmöglichkeiten erfolgt in der Regel durch eine starke Fre­ quenzänderung des Laserdiodenlichtes im Betrieb, hervorgerufen durch Tem­ peraturänderungen und Signalrückkopplung in die Laserdiode. Im Bereich der Standardkommunikationstechnik reicht in der Regel eine grobe Tempera­ turstabilisierung mit Hilfe von Peltierkühlelementen aus. Bei interterometri­ schen Anwendungen, wie z. B. bei faseroptischen interterometrischen Senso­ ren, reicht dies nicht aus. Hier hängt die zu erreichende Meßauflösung direkt von der Frequenzstabilität der Laserdiode ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Frequenz einer Laserdiode so stabilisiert werden kann, daß ein Ein­ satz als Lichtquelle für hochempfindliche, faseroptische Sensoren möglich ist. Die Vorrichtung soll einfach, stabil, kompakt und preiswert sein.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Stabilisierung von Laserdioden nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung und Meßgeräte sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung angegeben, bei der eine Fre­ quenzveränderung der Laserdiode durch ein faseroptisches Fabry-Perot- Interferometer mit nachfolgendem optischen Detektor gemessen und über einen elektrischen Regelkreis korrigiert wird.

Das (modulierte) Licht einer Laserdiode wird erfindungsgemäß über eine ge­ eignete Koppeleinrichtung in eine (bevorzugt Einmoden-)Lichtleitfaser einge­ koppelt und einem, auf konstanter Temperatur befindlichen faseroptischen Fabry-Perot-Interferometer zugeführt.

Frequenzveränderungen des Laserdiodenlichtes führen dann zu Änderungen der Transmissions- oder Reflexionscharakteristik des Interferometers. Die ent­ sprechenden Intensitätsveränderungen werden zum Beispiel in Transmission mit einem Photodetektor gemessen und in elektrische Signale umgewandelt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal der Referenz f zur Signalnormierung auf­ genommen. Mit an sich bekannter Lock-In-Technik wird ein Regelsignal der doppelten Frequenz 2f generiert und einem PID-Regler zugeführt. Dieser re­ gelt über eine Laserdiodenansteuerung entsprechend den Strom der Laser­ diode.

Als Arbeitspunkt für den Regler kann zum Beispiel der Null-Durchgang des 2f- Regelsignales gewählt werden. Eine Frequenzzunahme des emittierten Lich­ tes erzeugt dann ein positives Signal und erhöht über den PID-Regler den La­ serdiodenstrom so lange, bis die Frequenz entsprechend reduziert ist. Im Fal­ le einer Frequenzabnahme erfolgt entsprechend eine Abnahme des Laserdio­ denstromes und eine Zunahme der Laserfrequenz.

Über einen geeigneten optischen Koppler kann das frequenzstabilisierte Laserdiodenlicht ausgekoppelt werden und steht dann als universelle Licht­ quelle für verschiedenste Anwendungen zur Verfügung.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Interferometers erfolgt zum Bei­ spiel durch Schneiden einer Einmoden-Faser, Beschichtung des Faserendes mit einer dünnen Metallschicht, z. B. mit einer 30 µm Chromschicht, oder mit einer dielektrischen Schicht und anschließender Verschweißung mit einem weiteren Faserstück, das nach einigen Millimetern abgeschnitten und verspie­ gelt wird.

Die Beschichtungen der Verspiegelungen können z. B. auch durch Aufbringen dünner Titandioxidschichten erfolgen.

In einer Ausführung der Erfindung ist neben dem Interferometer auch die Laserdiode zur Temperaturstabilisierung auf ein Kühlelement, insbesondere ein Peltier-Kühlmodul, montiert.

Die Elektronik zur Signalaufnahme und zur Laserdiodensteuerung besteht zum Beispiel aus einem Dividierer für die beiden Eingänge der lichtaufneh­ menden Dioden, einem Frequenzgenerator, einem Lock-In-Verstärker, einer Laserdiodenstromquelle und einem PID-Regler.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät läßt sich ein faseroptischer Sensor zur Messung von Temperatur, Druck, Schall oder Magnetfeldern herstellen, bei dem ein Fabry-Perot-Interferometer der Meßgröße ausgesetzt ist. Dieses Fabry-Perot-Interferometer wird mit frequenzstabilisiertem Licht gemäß der Erfindung bedient.

In einer Ausführung können mehrere faseroptische Sensoren, die im Abstand von einigen Millimetern oder einigen Zentimetern in eine Faser angeordnet sind, zu einem Mehrpunktsensorsystem aufgebaut werden. Diese Sensoren liegen hintereinander in einer Faser. Es kann somit ein Sensor-Array aufge­ baut werden, das die minimalen Abmessungen einer Faser hat, aber an meh­ reren Stellen im Abstand von z. B. einigen Zentimetern eine quasi simultane Meßwerterfassung erlaubt. Dies ist besonders für medizinische Anwendungen wichtig, da damit eine nur schwach invasive Meßwertermittlung möglich ist.

Zur optimalen Einkopplung des Laserdiodenlichtes in eine Einmoden-Glas­ faser kann eine Grin-Linsen-Optik benutzt werden. Diese besteht aus einer Grin-Linse mit geeigneter Brennweite, die auf das Faserende direkt aufgeklebt ist. Dies hat den Vorteil einer einfachen, preiswerten und vor allem stabilen Lichteinkopplung.

In einer Ausführung kann die Einkopplung des Laserdiodenlichtes über eine Faseraufweitung (Faser-Taper) erfolgen.

Zur Integration und Entkopplung kann an das Fabry-Perot-Interferometer eine weitere Faser angeschweißt sein, so daß das Licht direkt über diese Faser weitergeleitet und einer Photodiode zugeführt werden kann. Auf diese Weise lassen sich störende Einflüsse auf die Signalaufnahme, bedingt durch Kopplereinflüsse und Rückreflexe aus dem System, weitgehend ausschließen.

Das faseroptische Fabry-Perot-Interferometer kann auch durch gezielte Diffu­ sion von Metallionen in die Faser hergestellt werden. Dabei fallen die kritische Beschichtung sowie die anschließende Verschweißung der Fasern weg.

Die Erfindung wird anhand von drei Figuren näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Vorrichtungen zur Frequenzstabilisierung von Laserdioden.

Fig. 3 zeigt einen Temperatursensor, der frequenzstabilisiertes Laserdioden­ licht verwendet.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Aufbau zur Frequenzstabilisierung einer Laser­ diode 2 mit einem faseroptischen Fabry-Perot-Interferometer 12. Die Laser­ diode 2 wird durch ein Peltier-Element 4 grob auf einer konstanten Betriebs­ temperatur gehalten. Die Grundstromeinstellung und die Modulation des La­ serstromes erfolgt über eine mittels Frequenzgenerator 24 gesteuerte Laser­ ansteuerung 26. Das von der Laserdiode 2 emittierte Licht wird hier mit Hilfe einer Optik 6 in einen Einmoden-Lichtquellenleiter 8 eingekoppelt - möglich ist auch die direkte Einstrahlung in den Faseranfang - und in einem sich anschließenden faseroptischen Koppler 10 aufgeteilt. In einem Zweig (hier oben gezeichnet) des Kopplerausganges ist in die Faser ein faseroptisches Fabry-Perot-Interferometer 12 eingefügt. Ein Kühlelement 13, das beispiels­ weise ein Peltier-Element sein kann, hält das Interferometer 12 auf einer kon­ stanten Temperatur, so daß sich dessen Transmissionscharakteristik nicht ver­ ändert.

Die transmittierten Lichtintensitäten hinter dem Interferometer 12 werden dann zum Beispiel durch einen angespleißten Lichtwellenleiter aufgenommen und dem Photodetektor 14 zugeführt. Die Grundintensität des Lichtes wird über den Referenzzweig 9 des Kopplers 10 mit dem Photodetektor 16 ermit­ telt.

Die elektrischen Signale aus den Photodetektoren 14 und 16 werden hier einem Dividierer 18 zugeführt. Das normierte Ausgangssignal geht in den Eingang eines Lock-In-Verstärkers 20, wird dort demoduliert und regelt über die Ansteuerung 26 den Strom der Laserdiode 2.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der statt des transmit­ tierten Lichtes das vom Fabry-Perot-Interferometer 12 reflektierte Licht gemes­ sen wird. In diesem Fall wird die Reflexionsänderung des faseroptischen Inter­ ferometers 12 in dem separaten Kopplerzweig 11 mit der Photodiode 17 ge­ messen und dann - entsprechend Fig. 1 - über den Dividierer 18, den Lock-In- Verstärker 20 und den PID-Regler 22 zur Regelung des Laserdiodenstromes benutzt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, in Anwendung eines faseropti­ schen Temperatursensors 15.

In dieser Ausführung ist am Ende des Lichtwellenleiters 9 ein weiterer faser­ optischer Koppler 10′ angebracht. An einem Ausgang des Kopplers 10′ wird mit einer Photodiode 16 das Referenzsignal abgenommen. An dem zweiten Ausgang des Kopplers 10′ wird das frequenzstabilisierte Nutzsignal einem weiteren faseroptischen Fabry-Perot-Interferometer 15 zugeführt. Mit Hilfe eines weiteren Dividierers 18′ und Lock-In-Verstärkers 20′ sowie anschließender Signalauswerteeinheit 28 können zum Beispiel Temperaturen exakt ermittelt werden. Die Temperaturänderungen des nicht temperaturstabilisier­ ten Interferometers 15 bewirken, bedingt durch Brechungsindexänderungen, eine Phasenverschiebung und entsprechend eine Signalveränderung, die mit der Temperaturveränderung skaliert.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung einer Laserdiode (2), ge­ kennzeichnet durch

• - eine Glasfaser (8),
• - einen faseroptischen Koppler (10) ,
• - ein, in eine Faser eingefügtes faseroptisches Fabry-Perot-Inter­ ferometer (12),
• - ein geeignetes Kühlelement (13) zur Temperaturstabilisierung des faseroptischen Interferometers (12),
• - zwei optische Detektoren (14, 16, 17) zur Aufnahme des vom Interferometer transmittierten (oder reflektierten) Lichtes und des Referenzlichtes und
• - eine Elektronik zur Aufnahme der Signale der optischen Detekto­ ren und zur Steuerung des Laserdiodenstromes.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein faseropti­ sches Fabry-Perot-Interferometer, hergestellt durch Schneiden einer Einmoden-Faser, Beschichtung des Faserendes mit einer dünnen Metallschicht, z. B. mit einer 30 µm Chromschicht, oder einer dielektri­ schen Schicht und anschließender Verschweißung mit einem weite­ ren Faserstück, das nach einigen Millimetern oder nach einigen Zenti­ metern abgeschnitten und verspiegelt wurde.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das faseroptische Fabry-Perot-Interferometer (12) durch Aufbringen dün­ ner Titandioxidschichten gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (12) und die Laserdiode (2) zur Temperaturstabilisierung auf ein Kühlelement (13 oder 4) montiert sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik zur Signalaufnahme und zur Laserdiodensteuerung einen Dividierer (18), einen Frequenzgenera­ tor (24), einen Lock-In-Verstärker (20), eine Laserdiodenstromquelle (26) und einen PID-Regler (22) enthält.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Kühlelement (13) ein Peltier-Kühlelement ist.

7. Vorrichtung nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung des Laserdiodenlich­ tes eine Grin-Linsen-Optik oder ein Faser-Taper verwendet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Integration und Entkopplung der Signal­ aufnahme vom restlichen System an das Fabry-Perot-Interferometer (12) eine weitere Faser angeschweißt ist, so daß das Licht von einer Photodiode (mit Pigtail) direkt gemessen werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das faseroptische Fabry-Perot-Interferometer (12) durch räumlich definierte Diffusion von Metallionen in die Faser hergestellt ist.

10. Temperatursensor mit zwei Fabry-Perot-Interferometern, von denen eines auf einer konstanten Temperatur liegt und das andere auf der zu messenden Temperatur.

11. Faseroptischer Sensor zur Messung von Temperatur, Druck, Schall oder Magnetfeldern, mit einem der Meßgröße ausgesetzten Fabry- Perot-Interferometer (15) und einer Vorrichtung zur Abgabe frequenz­ stabililisierten Lichtes nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

12. Mehrpunktsensor zur Messung von Temperatur, Druck, Schall oder Magnetfeldern nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mehrere in eine Faser im Bereich von Millimetern oder Zentimetern aufeinan­ derfolgende Fabry-Perot-Interferometer.