DE4229657C2 - Ein- oder zweidimensionale Anordnung von Laser-Phasenmodulatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Laser-Phasenmodulatoren.

Ein- oder zweidimensionale Anordnungen von Lasern sind nach dem Stande der Technik bekannt. Diese sind beispielsweise in der DE 42 11 899 A1 beschrieben, die auf einer älteren Anmeldung beruht, oder auch in US 4 953 166 = WO 90/09688 (Mooradian, MIT, 23. 8. 90). In letzterer Schrift wird auf Seite 14, Mitte, darauf hingewiesen, daß solche Laser phasengekoppelt werden können, insbesondere auch durch eine geeignete Ansteuerung der Phasen durch eine gezielte Phasenverschiebung benachbarter Laser eine insgesamte Ablenkung der Laserstrahlung ("beam-steering") erzielt werden kann.

Aus der US 5 115 445 ist ein Phasenmodulator bekannt, der mit einem Leiterbahnen tragenden Siliziumwafer gebondet ist und so eine Verbindung von elektronentragenden Wafern und dem eigentlichen Phasenmodulatorarray bildet. Ein direktes Aufbringen von Elektroden auf das zur Phasenmodulation dienende Material ist hier jedoch nicht erkannt worden.

Aus der WO 92/12557 ist ein Laserstrahl-Generator zur Generierung einer Mehrzahl von angeregten optischen Strahlen bekannt. Auch diese Konfiguration geht über den vorgenannten Stand der Technik nicht hinaus.

Aus der Druckschrift "CORDOVA-PLAZA, A. et al.: Miniature CW and Active Internally Q-Switched Nd : MgO : LiNbO₃Lasers, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-23, No. 2, 1987, S. 262-266" ist es bekannt, daß das Substrat des Phasenmodulators mit Ionen der seltenen Erden dotiert und als Lasermaterial ausgebildet ist.

Aus "Oka et al.: Laser-Diode-Pumped Phase-Locked Nd:YAG Laser Arrays, IEEE J. of QE, Vol. 28, No. 4, April 1992, S. 1142-1147" ist eine ähnliche Konfiguration bekannt, bei der die Laser zudem phasengekoppelt sind (s. Fig. 3). Die Phasenkopplung wird in diesem Beispiel durch die räumliche Nähe der Lasermoden erzielt; in der Fig. 3 sind die beiden Laserspiegel extern dargestellt, diese können jedoch auch monolithisch aufgebracht werden. Eine andere Form von arrayförmig angeordneten phasengekoppelten Lasern ist zählt bei der Anmelderin zum inneren Stand der Technik.

Auch phasengekoppelte Halbleiterlaser sind Stand der Technik. Ein Beispiel eines eindimensionalen Arrays von Halbleiter-Laserdioden, bei welchen die Phasenkopplung durch sogenannte Y-Verzweigungen erzwungen wird ist von Scifres et al. in Applied Physics Letters 34, 259 (1979) beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ein- oder zweidimensionalen Phasenmodulator aufzuzeigen, welcher eine gezielte, unabhängige Einstellung der Phasen aller einzelnen Laserausgangsstrahlen zueinander ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung verdeutlicht.

Der allgemeine Erfindungsgedanke bezieht sich auf eine Anordnung von Laser-Phasenmodulatoren, mit welchen es möglich ist, die Phasen von linearen oder flächigen Anordnungen von Lasern mit fester Phasenbeziehung, insbesondere von diodengepumpten Festkörperlasern oder auch von Laserdioden, zu regeln. Dies kann für Anwendungen in der parallelen optischen Kommunikation ebenso gefordert sein, wie auch diese Anordnung ermöglicht, durch Phasenverschiebung benachbarter Laser eine räumliche Ablenkung des gesamten Laserstrahles zu erzielen.

Es zeigt

Fig. 1 eine Skizze der erfindungsgemäßen Phasenmodulatoren,

Fig. 2 eine zweidimensionale Anordnung von diodengepumpten Festkörperlasern nach dem Stande der Technik,

Fig. 3 eine weitere zweidimensionale Anordnung von diodengepumpten Festkörperlasern mit fester Phasenbeziehung nach dem Stande der Technik.

Fig. 2 verdeutlicht beispielhaft eine zweidimensionale Anordnung von diodengepumpten Festkörperlasern, wie sie bisher zum Stand der Technik zählen (Entnommen aus WO 90/09688 bzw. US 4 953 166). In dieser Skizze bezeichnen 810 eine zweidimensionale Anordnung von Halbleiter-Laserdioden zum Pumpen von Festkörperlasern, 814 den jeweiligen Pumplichtstrahl, 812 eine zweidimensionale Anordnung von Festkörperlasern, welche in diesem Beispiel dadurch gebildet werden, daß eine Scheibe aus Festkörper-Lasermaterial monolithisch verspiegelt ist. Durch die thermisch induzierte Linse bei Absorption der Pumplichtstrahlung bildet sich nun in jedem Bereich der Kristallscheibe, welche mit einer jeweiligen Laserdiode bestrahlt wird, ein stabiler Resonator aus, so daß jeder Laserdiode des Arrays entsprechend ein Festkörperlaser ausgebildet wird, welcher einen Laserstrahl emittiert.

Die erfindungsgemäße Anordnung von ein- oder zweidimensionalen Phasenmodulatoren wird in Fig. 1 veranschaulicht; die exakte räumliche Anordnung wird entsprechend der räumlichen Anordnung der Laserquellen vorgenommen, die hier dargestellte Anordnung der einzelnen Phasenmodulatoren ist beispielhaft gezeigt.

Prinzipiell kann dieses Phasenmodulatoren-Array ein- oder zweidimensional ausgeführt mit jeder Art von freilaufenden oder phasengekoppelten Lasern kombiniert werden, wie zum Beispiel mit Halbleiter-Laserdiodenarrays oder diodengepumpten Festkörperlaser-Arrays.

Als Substrat 50 dient eine Scheibe aus elektrooptischem Material, zum Beispiel das vielfach als Phasenmodulator verwendete LiNbO₃ oder LiIO₃. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, welche entsprechende elektrooptische Eigenschaften haben, vorzugsweise Ferroelektrika aus der Kristallgruppe der trigonalen oder der tetragonalen Kristalle. Auf dieser Scheibe sind nun beidseitig Elektroden 51, 52, 53 . . . aufgebracht, welche in ihrer räumlichen Anordnung so ausgestaltet sind, daß jeder Laserstrahl des Laserarrays auf einen Teilbereich der Scheibe 50 trifft, an dem eine solche Elektrode angebracht ist. Die Elektroden selbst können auf die Scheibe aufgedampft oder mit der Scheibe anderweitig kontaktiert sein und die Form von Ringelektroden haben oder einfach flächig sein, vorzugsweise rund und aus lichtdurchlässigem Material bestehend, bspw. aus ITO. Die Elektroden sind nun getrennt über Leiterbahnen 511, 521, 531 . . . kontaktiert und ansteuerbar so, daß bei der Ansteuerung eines Elektrodenpaares kein signifikanter Einfluß auf die anderen Elektroden genommen wird. Die Leiterbahnen sind vorzugsweise so ausgeführt, daß sie (z. B. 541) auf der Oberseite nicht über den Leiterbahnen (z. B. 5411) der Unterseite zu liegen kommen und die Kapazität der Anordnung so minimiert wird. Durch Anlegen von Spannung an die Leiterbahn zweier gegenüberliegender Elektroden können auf diese Ladungen aufgebracht werden, so daß in bekannter Weise zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Feld entsteht, durch dessen Einfluß der Brechungsindex des Ferroelektrikums an dieser Stelle geändert wird und dadurch das an dieser Stelle durchtretende kohärente Licht eine Phasenverschiebung erfährt.

Mit Hilfe einer solchen Anordnung von Phasenmodulatoren können Phasen flächig angeordneter Laser gegeneinander in kontrollierter Weise eingestellt werden; da sich im Fernfeld die kohärenten Strahlen der einzelnen Resonatoren zu einem einzigen Strahl überlagern, kann über die gezielte Einstellung der Phasenbeziehungen eine Ablenkung des Fernfeldstrahles erreicht werden. Dieses Verfahren ist an sich aus der Mikrowellentechnik bekannt (sog. phased-array Radar-Antennen). In einem anderen Anwendungsfall kann beispielsweise durch eine nachfolgende Optik die Überlagerung im Fernfeld vermieden werden, so daß jeder Teilstrahl eine von den anderen Strahlen unabhängige Information übertragen kann. Im Bereich des Nahfeldes (kurze Entfernungen z. B. bei der Informationsübertragung zwischen elektronischen Chips) kann auf diese Optik unter Umständen sogar verzichtet werden.

Erfindungsgemäß ist die Phasenmodulatorscheibe 50 selbst mit Ionen der seltenen Erden dotiert (z. B. Nd : MgO : LiNbO₃ oder andere, mit Seltenerd-Ionen dotierte Ferroelektrika), so daß auf das Festkörper-Lasermaterial verzichtet werden kann, die Laserresonatoren also direkt zwischen den jeweils gegenüberliegenden Elektroden ausgebildet werden. Dies ist auch möglich bei Ausnutzung elektrooptischer Effekte in Halbleitermaterialien, so daß die Laserdioden selbst zur Phasenmodulation angesteuert werden. Insbesondere sind hier auch Anordnungen möglich, bei welchen der transversale elektrooptische Effekt ausgenutzt wird. In Unterscheidung zum Stand der Technik bezieht sich die vorliegende Erfindung jedoch auf arraymäßige Anordnungen von Lasern, wobei insbesondere die einzelnen Laser phasengekoppelt sind.

Claims (4)

1. Ein- oder zweidimensionale Anordnung von Laser-Phasenmodulatoren mit einer Substratplatte (50), die den Laser-Phasenmodulatoren gemeinsam ist und aus elektrooptischem Material besteht, das mit Ionen der Seltenen Erden dotiert ist und als Lasermaterial optisch gepumpt wird, wobei auf beiden Seiten der Substratplatte (50) Elektroden aufgebracht sind, die paarweise mit dem Substrat optische Modulatoren bilden, und wobei jedes Elektrodenpaar mit getrennten Zuleitungen (z. B. 541, 5411) versehen ist und so eine unabhängige Ansteuerung der einzelnen Phasenmodulatoren ermöglicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ringförmig ausgebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden flächenhaft ausgebildet sind und aus optisch transparentem Material bestehen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (541) zu den Elektroden der Oberseite nicht direkt über den Leiterbahnen (5411) der Unterseite der Substratplatte (50) zu liegen kommen, sondern - in der Durchsicht gesehen - in einem Abstand voneinander ausgebildet sind.