DE4232764A1 - Abstimmbarer Generator für hochfrequente Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen abstimmbaren Generator für hochfrequente Signale, der nach dem Heterodynprinzip mit zwei stabilen optischen Signalquellen eng benachbarter Wellenlängen hoher Kohärenz arbeitet.

Der Stand der Technik, von dem dabei ausgegangen wird, ist aus der Firmenschrift der ANRITSU CORPORATION "Technical Review" No. 11, Dezember 1989, Seiten 18 ff. bekannt. Die dort beschriebene Anordnung eines heterodynen optischen Sweepers (MG 9603 A) nutzt zur Abstimmung von Laserdioden die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge einer von einem DFB-Halbleiterlaser erzeugten Lichtwelle aus. Das bedeutet, daß bei dieser bekannten Anordnung für jede der Laserdioden eine hochpräzise separate Temperaturregelung benötigt wird.

Obwohl eine Steuerung der Wellenlänge bei einem Laser auch über den Strom vorgenommen werden kann, findet diese Mög­ lichkeit bei den vorstehend erwähnten bekannten Anordnungen keine Anwendung. Als Grund dafür wird die Abhängigkeit vor allem der optischen Leistung vom Strom angegeben. Eine solche Abhängigkeit besteht jedoch auch von der Temperatur, tritt also besonders nachteilig dann in Erscheinung, wenn die Wellenlängenänderung mittels Temperatursteuerung er­ folgt.

Mit dem Problem der Wärmeabfuhr befaßt sich die aus der DE-OS 27 35 318 bekannte Injektionslaservielfachanordnung. Dort ist für eine Vielzahl eng nebeneinanderliegend angeord­ neter Einzellaser bei der Verwendung beispielsweise in Wärmeübertragungsdruckern bei Raumtemperatur zu gewährlei­ sten, daß keine Überhitzung der Elemente auftritt, wobei sich zudem die einzeln und selektiv ein- und ausschaltbaren Laser unterschiedlich erwärmen. Damit die voneinander ge­ trennten emittierenden Bereiche sowohl elektrisch als auch thermisch isoliert sein können, soll diese bekannte Anord­ nung in den emittierenden Bereichen der lichtemittierenden Übergänge eine Struktur aufweisen, bei der eine Substanz - in Nuten gefüllt und als Wärmesenke dienend - die zur An­ regung der Lichtemission erforderliche Stromzufuhr und die erforderliche Wärmeableitung bewirkt. Die hiermit aufge­ zeigte Lösung vermeidet Probleme, die sich einerseits aus der Notwendigkeit ergeben, die elektrischen Anschlüsse an den "heißen" Seiten der einzelnen Laser anordnen zu müssen, und andererseits nicht zulassen, diese "heißen" Seiten in Kontakt mit einer gemeinsamen, beispielsweise als Kupfer­ block ausgebildeten Wärmesenke zu verbinden, die als elek­ trische Verbindung wirken und ein selektives Anschalten der Laser unmöglich machen würde.

Unter dem Gesichtspunkt, über optische Signalquellen eng be­ nachbarter Wellenlängen und hoher Kohärenz verfügen zu können, sind vornehmlich monolithische Anordnungen von La­ serdioden zu beachten. Aus "Applied Optics" Bd. 23 No. 22, 15.11.1984, Seiten 3994 bis 4000, und aus "Laser Focus World" Juli 1992, Seiten 77 ff., sind bereits Barren-Anord­ nungen von individuell adressierbaren Laserdioden für Zwecke einer Mehrkanalaufzeichnung oder dergleichen bekannt. Den spezifischen Anforderungen entsprechende Zusammenhänge zwi­ schen Stabilität, Temperatur, Modulierbarkeit über Injek­ tionsstrom usw. werden dabei mehr oder weniger informativ behandelt.

Schließlich ist für das technische Gebiet, auf dem die Er­ findung liegt, auch der aus "IEEE Photonics Technology Let­ ters" Bd. 4 No. 4, 4. April 1992, Seiten 321 bis 323 be­ kannte abstimmbare DFB-Laser von Interesse, dessen Abstimm­ barkeit allerdings auch mittels Temperatursteuerung erfolgt.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Ab­ stimmbarkeit eines mit Lichtwellen arbeitenden Signalgene­ rators mit solchen technischen Mitteln zu realisieren, die hohe Präzision, Stabilität und Zuverlässigkeit, Unempfind­ lichkeit gegen äußere Störeinflüsse und geringe Trägheit des Steuerungsverfahrens mit preisgünstigen Bauelementen ermög­ lichen.

Die erfindungsgemäße Lösung hierfür besteht darin, daß zwei in ihrem Aufbau und in ihren Eigenschaften identische Mehr­ sektions-DFB-Laser die stabilen optischen Signalquellen bil­ den und auf einer gemeinsamen Wärmesenke angeordnet sind, und daß zur Abstimmung des Generators eine Steuerung vor­ gesehen ist, mit der wahlweise bei einem der beiden Mehrsek­ tions-DFB-Laser eine Änderung desjenigen Injektionsstromes durchführbar ist, der über die Sektion für die Wellenlängen­ abstimmung des Mehrsektions-DFB-Lasers fließt.

Zur Funktionsweise der Abstimmung mittels Änderung eines In­ jektionsstromes bei einem Mehrsektions-DFB-Laser ist zu­ nächst darauf hinzuweisen, daß bei konstanter Temperatur die Abhängigkeit der optischen Leistung vom Injektionsstrom vernachlässigbar gering ist. Monolithische Barren-Anordnun­ gen bieten in ihrem Aufbau und ihren Eigenschaften identi­ sche Mehrsektions-DFB-Laser. Ihrer Anordnung auf einer ge­ meinsamen Wärmesenke stehen auch keine konstruktiven Gege­ benheiten bezüglich der Ausbildung elektrischer Anschlüsse entgegen; alle Anschlußbahnen, die der Wärmesenke mehr oder weniger eng benachbart sind, liegen auf demselben elektri­ schen Potential. Für das Heterodynprinzip ist es gleichgül­ tig, welche der beiden Signalquellen verstimmt wird; des­ halb kann dies wahlweise bei dem einen oder dem anderen Mehrsektions-DFB-Laser geschehen.

Ein erfindungsgemäßer Signalgenerator ist damit besonders für Zwecke der Prüfung und Untersuchung optoelektronischer Wandler-Bauelemente geeignet, die beispielsweise in der Nachrichtentechnik für immer höhere Frequenzen, insbesondere für breitbandige optoelektronische Empfängerschaltungen ein­ gesetzt werden. Dazu wird das benötigte amplitudenmodulierte Signal durch Überlagerung der beiden Lichtwellen erzeugt, d. h. die Modulationsfrequenz resultiert aus der Differenz der beiden Wellenlängen. Bei einer Nenn-Wellenlänge von z. B. 1,55 µm entspricht einer Wellenlängendifferenz von 0,1 nm eine Frequenz von ca. 12,5 GHz.

Die beiden vom Generator abgegebenen Lichtwellen werden in getaperte Einmodenfasern (SM-Fasern) eingekoppelt, die z. B. in V-Nuten fixiert sind. Die Steuerung des Generators läßt sich mit Rechnerunterstützung ausbilden und kann insbeson­ dere auch zur Überwachung und Konstanthaltung der Temperatur ausgelegt sein.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung erge­ ben sich dadurch, daß lediglich zwei Mehrsektions-DFB-Laser als selektierte Einzelelemente einer monolithischen Barren- Anordnung mit den benötigten elektrischen und optischen Ver­ bindungen ausgerüstet sind und/oder die gemeinsame Wärme­ senke auf einem Aufnahmeblock montiert ist, dessen Ausrü­ stung einen Temperaturmeßfühler und ein Peltierelement um­ faßt.

In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsformen der Er­ findung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 in einer Art Blockschaltbild das Funktionsprinzip eines heterodyn-optischen Sweepers mit zwei identi­ schen Mehrsektions-DFB-Laserstrukturen, die auf einer gemeinsamen Wärmesenke angeordnet sind;

Fig. 2 den Aufbau einer elektrischen und temperatursta­ bilisierenden Anordnung für eine monolithische La­ serintegration in Drauf- und Vorderansicht;

Fig. 3 einen Ausschnitt der Anordnung gemäß Fig. 2 für den Bereich des Laserbarrens und der mit ihm verbundenen elektrischen und thermischen Elemente;

Fig. 4 das Schaltbild einer Anordnung zur Laserdiodenver­ sorgung; und

Fig. 5 eine Anordnung einer mechanischen Faserjustageein­ heit.

In der Fig. 1 sind nur die für einen heterodyn-optischen Sweeper wesentlichen Teile dargestellt. Zwei identische Mehrsektions-DFB-Laser 2a, 2b mit quasi gleichen Wellenlän­ gen sind monolithisch auf einem Substrat ausgebildet und auf einer gemeinsamen Wärmesenke 11 angeordnet. Für die Ver­ sorgung der Mehrsektions-DFB-Laser 2a, 2b ist eine Steue­ rung 1 vorgesehen, die z. B. eine 4fach Stromquelle ent­ hält. Durch Änderung eines der Injektionsströme für einen der beiden Mehrsektions-DFB-Laser 2a, 2b erfolgt die Abstim­ mung des Generators. Filter 24 dienen zum Abblocken hochfre­ quenter Störstrahlung von den Signalquellen.

Die Laser-Emission wird über getaperte Enden von Einmodenfa­ sern 3 in diese eingekoppelt. Die Fasern 3 sind in einem V- Nuten-Array 4 fixiert. Die in beiden Fasern 3 übertragene Lichtleistung wird jeweils über einen -60 dB-Isolator 5 geführt. Zur Erzielung der Kohärenz zwischen den beiden Lichtwellen ist in einem der beiden Faserwege ein Polarisa­ tions-Abstimmer 6 angeordnet. Beide Signale gelangen sodann in einen 3 dB-Koppler 7 und werden dort gemischt. Einer der Kopplerausgänge ist als Nutzsignalabgriff 9 ausgebildet; am anderen Ausgang 10 ist - im dargestellten Beispiel - eine breitbandige Photodiode 8 angeschlossen, mit der die erzeug­ te Modulationsfrequenz von beispielsweise bis zu 18 GHz detektiert wird.

Als weiteres, bisher mangels geeigneter Signalquellen ver­ nachlässigtes Anwendungsgebiet der optischen Meßtechnik ist mit Ausführungsformen der Erfindung die Untersuchung und Prüfung von integrierten OEIC (Optoelektronische integrier­ te Schaltkreise "circuits") mit einer Auflösung in bisher nicht erreichten Größenordnungen möglich. Dabei kann ohne weiteres z . B. der 3 dB-Koppler 7 in einem solchen OEIC inte­ griert sein.

Eine der möglichen alternativen Aufbauten eines solchen Sweepers kann selbst mit einem OEIC als Funktionseinheit ausgerüstet sein, bei dem die beiden Mehrsektions-DFB-Laser 2a, 2b und der 3 dB-Koppler 7 integriert aufgebaut sind und das V-Nuten-Array 4, einer der beiden -60 dB Isolatoren 5 wie auch der Polarisations-Abstimmer 6 entfallen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Mehrsektions-DFB-Halbleiter­ laserdioden 2a, 2b als Einzelelemente eines Laserbarrens 2. Vorteile einer monolithischen Laserintegration liegen in gleichen Lasercharakteristiken wie auch in einfach zu be­ werkstelligender Justage, da die gewünschten Laserstrukturen durch die Lithographie absolut parallel verlaufen und einen hochgenauen Abstand einhalten.

Der Laserbarren 2 ist auf einer Wärmesenke 11 montiert und mit dem sektionierten elektrischen Anschlußfeld 12 verbunden (gebondet) . Um einen konstanten Wärmeabfluß zu gewährlei­ sten, ist die Wärmesenke 11 auf einem Aufnahmeblock 13 mon­ tiert, welcher durch ein Peltierelement 14 und einen Tempe­ raturfühler 15 die gewünschte Temperatur hält.

Die elektrischen Bauteile werden über einen 9-Pol D-SUB- Stecker 16 mit Versorgungseinheiten verbunden. Dieser Auf­ bau, montiert auf einer Grundplatte 22 und von äußeren Einflüssen durch ein Gehäuse 23 geschützt, gewährleistet eine identische Betriebstemperatur der optischen Signal­ quellen und somit eine stabile Wellenlängendifferenz. Der Abwärmefluß über das Substrat des Laserbarrens 2 stellt eine konstante und gleiche Temperatur für beide Mehrsektions-DFB- Laser 2a, 2b sicher.

Wenn die beiden benötigten Mehrsektions-DFB-Laser 2a, 2b aus einem monolithischen Barren 2 gewonnen werden, ist ihre Identität bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Eigenschaften weitestgehend gewährleistet. Das gilt insbesondere für deren Grundwellenlängen. Die Einzelelemente, die als Signalquellen des Generators dienen sollen, können aus größeren Barren 2 durch Laserbarrenspaltung getrennt vorliegen, bei kleineren Barren 2 aber auch lediglich nach Identitätsanforderungen selektiert werden; die ausgesonderten Einzelelemente können dann ungenutzt im Barren 2 verbleiben.

In jedem Fall sind quasi identische Bauelementeigenschaften, z. B. Abmessungen, Kristallzusammensetzung, elektrisches und thermisches Verhalten gegeben. Weiterhin sind auch äußere Einflüsse quasi identisch. Die über die gemeinsame Wärme­ senke 11 eingehaltene Temperatur muß bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen für die beiden optischen Signalquellen jeweils gleich sein, eine Langzeitkonstanz der Temperatur ist nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung im Prinzip für die elektrische Laserdiodenversorgung. An beiden Mehrsektions- DFB-Lasern 2a und 2b sind jeweils RC-Kombinationen ange­ schlossen, in denen der Widerstand R als Vorwiderstand und der Kondensator C zur Hochfrequenzabblockung dient. Zusätz­ lich befinden sich noch Tiefpaß-Filter 24 in den Stromfluß­ leitungen. Die benötigten Stromquellen und die Temperatur­ reglereinheiten sind hier nicht dargestellt.

Die eingestellten Wellenlängenänderungen bewirken, daß die Frequenz nur innerhalb der normalerweise sehr schmalen Li­ nienbreite eines Lasers schwankt. Die Tiefpaßfilter 24 für z. B. Frequenzen bis etwa 10 MHz wirken zusätzlich begren­ zend auf die Linienbreite.

Die mechanische Faserjustageanordnung ist in Fig. 5 dar­ gestellt. Die Einmodenfasern 3 sind in eine V-Nutenhalte­ rung 18 eingelassen und über Feingewindeschrauben 19 in X- und Y-Richtung frei zu verstellen. Das verwendete V-Nu­ ten-Array 4, in dem zwei mit geschliffenen Tapern 17 (fast identische Brennweiten) versehene Fasern 3 fixiert sind, ist ebenfalls in die V-Nutenhalterung 18 eingebracht; dort sind die Fasern 3 zusätzlich zur Zugentlastung verklebt. Durch eine Rändelschraube 21 mit Feingewinde ist eine Z-Ver­ schiebung möglich. Die Anpassung des Drehwinkels erfolgt durch eine drehbare Aufnahme der V-Nutenhalterung 18 in einem Aufnahmeblock 20.

Der Abstand der V-Nuten ist photolithographisch auf den Abstand der Laserstrukturen anzupassen, damit Justagefehler eingeschränkt werden können.

Eine Rechnersteuerung für erfindungsgemäße abstimmbare Gene­ ratoren für hochfrequente Signale ist zu empfehlen, wenn Kennlinienfelder der Mehrsektionslaser durchfahren werden sollen.

Mit der vorliegenden Erfindung werden kleine, kompakte und modulare Aufbauten eines elektrisch abstimmbaren hochfre­ quenten Signalgenerators mittels optischen Heterodynverfah­ rens ermöglicht, wobei eine extrem einfache Abstimmung der Laserdioden mittels Injektionsstromänderung erfolgt.

Somit steht eine hochfrequente optische Signalquelle mit Frequenzbandbreiten von einigen zehn GHz bis theoretisch einige hundert GHz zur Verfügung, die sich in breitbandigen optoelektronischen Empfängereinheiten für Test- und Einstel­ lungsprozeduren eignet und mit der als Mehrkanal-Licht­ quelle eng benachbarte Emissionswellenlängen erzeugt werden können.

Claims (3)

1. Abstimmbarer Generator für hochfrequente Signale, der nach dem Heterodynprinzip mit zwei stabilen optischen Si­ gnalquellen eng benachbarter Wellenlängen hoher Kohärenz ar­ beitet, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in ihrem Aufbau und in ihren Eigenschaften identische Mehrsektions-DFB-Laser (2a, 2b) die stabilen optischen Si­ gnalquellen bilden und auf einer gemeinsamen Wärmesenke (11) angeordnet sind, und daß zur Abstimmung des Generators eine Steuerung (1) vorgesehen ist, mit der wahlweise bei einem der beiden Mehrsektions-DFB-Laser (2a, 2b) eine Änderung desjenigen Injektionsstromes durchführbar ist, der über die Sektion für die Wellenlängenabstimmung des Mehrsek­ tions-DFB-Lasers (2a bzw. 2b) fließt.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich zwei Mehrsektions-DFB-Laser (2a, 2b) als selek­ tierte Einzelelemente einer monolithischen Barren-Anord­ nung (2) mit den benötigten elektrischen und optischen Verbindungen ausgerüstet sind.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Wärmesenke (11) auf einem Aufnahmeblock (13) montiert ist, dessen Ausrüstung einen Temperaturmeßfühler (15) und ein Peltierelement (14) umfaßt.