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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine abstimmbare Laserquellenvorrichtung,
die eine auf dem Gebiet der optischen Kommunikation und Präzisionsmessung
verwendete Schwingungswellenlänge
variieren kann, und betrifft im spezielleren eine abstimmbare Laserquellenvorrichtung,
die die Schwingungswellenlänge über ein
breites Band unter Verwendung einer optischen Verstärkungsfunktion, wie
diese durch einen Halbleiter-Laser geschaffen wird, in kontinuierlicher
Weise abtasten kann und die einen Wellenlängenbereich über ein
breites Band abdecken kann (wobei dieser im folgenden als "LD" bezeichnet wird).
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Bei
verschiedenen optischen Vorrichtungen, wie z.B. einem Lichtwellenleiter-Verstärker, einem optischen
Filter, einem optischen Isolator sowie jeder Vorrichtung, die ein Übertragungssystem
bildet, wobei diese alle für
die Wellenlängen-Multiplex-Kommunikation verwendet
werden, müssen
deren Wellenlängenbandeigenschaften
gemessen werden.
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Daher
ist eine abstimmbare Laserquellenvorrichtung für ein breites Band erforderlich,
die Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge liefert.
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Dabei
ist es wünschenswert,
die Wellenlänge
in kontinuierlicher Weise abtasten zu können.
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Es
ist eine abstimmbare Laserquellenvorrichtung verbreitet, die als "Laser mit externem
Hohlraum" bezeichnet
wird und die Licht von einem optischen Verstärkungselement, wie z.B. einem
LD bzw. Halbleiter-Laser mit einem breiten Verstärkungsband, durch ein Wellenlängen-Auswählelement,
wie z.B. ein Beugungsgitter hindurchleitet, das außerhalb von
dem Element angeordnet ist, um Licht eines Bands mit einer gewünschten
Wellenlänge
zurückzuführen, um
dadurch eine Laserschwingung innerhalb dieses Wellenlängenbands
hervorzurufen.
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In
diesem Fall handelt es sich bei dem am häufigsten verwendeten Wellenlängen-Auswählelement
um ein Beugungsgitter.
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D.h.,
eine ausgewählte
Wellenlänge
wird durch Variieren des Winkels des Beugungsgitters relativ zu
einer Eintrittsrichtung des Lichts variiert.
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8A zeigt
eine Ansicht, die zur Erläuterung
der Konfiguration einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung dieses
Typs, d.h. eines typischen Lasers mit externem Hohlraum, der von
einem Beugungsgitter Gebrauch macht, von Nutzen ist.
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Ferner
zeigen die 8B, 8C, 8D und 8E Ansichten,
die zum Erläutern
der Prinzips der Wellenlängenbestimmung
geeignet sind.
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D.h.
ein Laser mit externem Hohlraum, wie er z.B. in 8A gezeigt
ist, weist einen LD bzw. einen Halbleiter-Laser 51 mit
einer Antireflexions-Beschichtung (die im folgenden auch als AR-Beschichtung" bezeichnet wird),
die auf die eine Endfläche 51a aufgebracht
ist, Laser 52a und 52b sowie ein Beugungsgitter 53 auf,
das auf der Endfläche 51a mit der
AR-Beschichtung angeordnet ist.
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Das
Beugungsgitter 53 ist rotationsmäßig und translationsmäßig beweglich.
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Das
Beugungsgitter 53 und die andere Oberfläche 51b (die Endfläche ohne
die AR-Beschichtung) des Halbleiter-Lasers bilden einen externen Hohlraum.
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Eine
derartige Anordnung des Beugungsgitters 53, bei der Licht
von dem Halbleiter-Laser 51 durch
das Beugungsgitter 53 direkt auf den Halbleiter-Laser 51 gebeugt
wird, der das Licht empfängt,
so daß das
Licht eine ausgewählte
Wellenlänge
aufweist, ist unter der Bezeichnung "Littrow-Anordnung" bekannt.
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Unabhängig von
der Verwendung der Littrow-Anordnung wird die Schwingungswellenlänge eines
Lasers mit externem Hohlraum, der ein Wellenlängen-Auswählelement beinhaltet, durch
zwei Faktoren bestimmt.
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Bei
dem einen Faktor handelt es sich um eine Wellenlänge, die die Resonanzbedingungen
erfüllt,
die durch die optische Länge
des Gesamtresonators bestimmt werden, der eine Laserschwingung hervorruft.
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Bei
einem optischen Resonator, wie z.B. dem in 8B gezeigten,
sind die optische Länge des
Gesamtresonators (die im folgenden als "Resonatorlänge" bezeichnet wird) mit L, die Frequenz
des einfallenden Lichts mit ν,
die Stärke
des einfallenden Lichts mit P0 und die Stärke des emittierten Lichts
mit P1 bezeichnet.
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Wie
allgemein bekannt ist, wird dann, wenn die Lichtgeschwindigkeit
mit c bezeichnet wird, der freie Spektralbereich (der im folgenden
auch als "FSR") bezeichnet wird,
folgendermaßen
ausgedrückt: (FSR = c/(2L).
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Wie
in 8C gezeigt ist, sind für jeden freien Spektralbereich
eine Vielzahl von Resonanzfrequenzen vorhanden, bei denen der Transmissionsgrad
(die Leistung des emittierten Lichts P1 zu der Leistung des einfallenden
Lichts P0) maximiert ist.
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Wenn
eine Resonanzfrequenz n Mal so groß ist wie der freie Spektralbereich,
wird diese Frequenz als "n-Ordnungs-Schwingungsmode" bezeichnet.
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Dabei
wird eine Wellenlänge,
die einer solchen Resonanzfrequenz entspricht, als "Resonanzwellenlänge" bezeichnet.
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Bei
dem anderen Faktor handelt es sich um die Verteilung einer Verstärkung, wobei
ihr Band durch ein Beugungsgitter, wie z.B. das in 8D gezeigte
oder durch ein allgemeines Wellenlängen-Auswählelement, begrenzt wird.
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Bei
Verwendung des optischen Verstärkungselements,
wie z.B. des Halbleiter-Lasers, mit einer Verstärkung über ein breites Band, ist die
Verstärkung
des Beugungsgitters innerhalb einer ausgewählten Wellenlänge konstant.
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Die
Verteilung der Verstärkung,
deren Band begrenzt ist, kann somit als identisch mit einem ausgewählten Wellenlängenspektrum
des Beugungsgitters betrachtet werden.
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Daher
wird eine Spitzenwellenlänge
des ausgewählten
Wellenlängenspektrums
im folgenden einfach als "ausgewählte Wellenlänge" bezeichnet.
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Dann
beginnt eine der Moden zu schwingen, die sich bei einer Frequenz
mit der höchsten
Verstärkung
befindet, wie dies in 8E gezeigt ist.
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Im
allgemeinen ist die ausgewählte
Wellenlänge
nicht gleich der Schwingungswellenlänge.
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Die 9A, 9B, 9C, 9D und 9E veranschaulichen
Variationen in der Schwingungswellenlänge, die sich ergeben, wenn
die Änderungsraten
der Resonanzwellenlänge
und der ausgewählten
Wellenlänge
nicht gleich sind.
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Wenn
eine Resonatorlänge
L und ein Einfallswinkel θ,
unter dem Licht auf das Beugungsgitter fällt, fortschreitend reduziert
werden, wie diese beiden Größen schematisch
in 9E dargestellt sind, verschieben sich die Resonanzwellenlänge und
die ausgewählte
Wellenlänge
in Richtung auf eine kurze Wellenlängenseite.
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Wenn
an diesem Punkt eine der Hälfte
des freien Spektralbereichs entsprechende Differenz zwischen der
Resonanzwellenlänge
der Schwingungsmode und der ausgewählten Wellenlänge auftritt, verschiebt
sich die Schwingungswellenlänge
von der Schwingungsmode auf die benachbarte Schwingungsmode, so
daß sich
der in 9C dargestellte Zustand in den
in 9D dargestellten Zustand verlagert.
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Dieses
Phänomen
wird als "Modensprung" bezeichnet.
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Zum
kontinuierlichen Variieren der Schwingungswellenlänge über ein
breites Band werden somit die Schwingungsresonanzwellenlänge und
die ausgewählte
Wellenlänge
miteinander verknüpft,
d.h. bei dem Laser mit externem Hohlraum in Littrow-Anord nung werden
die Resonatorlänge
und der Winkel des Beugungsgitters gleichzeitig variiert, während sie in
einer geeigneten Beziehung zueinander gehalten werden, um auf diese
Weise dem Modensprung entgegenzuwirken.
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Bei
einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung mit der Konstruktion
mit externem Hohlraum, wie z.B. dem Beugungsgitter, muß das Reflexionsvermögen auf
der Seite des externen Hohlraums des Halbleiter-Lasers reduziert
werden, um interne Schwingungsmoden des Halbleiter-Lasers zu begrenzen.
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Somit
wird herkömmlicherweise
eine Konfiguration mit einer AR-Beschichtung verwendet, die eine
dielektrische Schicht aufweist, d.h. eine Konfiguration des Typs,
wie sie in 8A gezeigt ist, bei der die
AR-Beschichtung auf die Endfläche 51a des Halbleiter-Lasers 51 aufgebracht
ist.
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Die
Konfiguration mit der AR-Beschichtung, die einfach auf die Endfläche 51 des
Halbleiter-Lasers 51 aufgebracht ist, führt jedoch zu einem unzulänglichen
erreichbaren Reflexionsvermögen,
und aus dem restlichen Reflexionsvermögen resultieren beträchtliche
interne Schwingungsmoden.
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Eine
solche Konfiguration hat somit folgende nachteilige Wirkungen: es
kommt zu Modensprung, wie dies vorstehend beschrieben wurde, wobei
dies zu Multimoden-Schwingung
führen
kann, und ferner ist das variable Wellenlängenband nicht ausreichend, so
daß spontan
die emittierte Strahlung zunehmen kann.
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Abstimmbare
Laserquellen sind in der
EP
0 951 112 A , der
JP
03 195 076 A sowie der
JP 03 211 781 A offenbart.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert
ist, besteht in der Angabe einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung,
die im Hinblick auf die vorstehend geschilderten Probleme weiter
entwickelt ist und die internen Schwingungsmoden eines Halbleiter-Lasers
ausreichend entgegenwirken kann, um spontan emittierte Strahlung
zu reduzieren und dadurch Multimoden-Schwingung zu ver hindern, und
bei der sich ferner ein Bereich zum Variieren der Wellenlänge erweitern
läßt.
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Zur
Lösung
der vorstehend genannten Aufgabe wird gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung eine abstimmbare Laserquellenvorrichtung mit externem
Hohlraum angegeben, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen
Halbleiter-Laser, der eine an dem einen Ende des Halbleiter-Lasers
ausgebildete Reflexionsfläche, eine
an dem anderen Ende des Halbleiter-Lasers ausgebildete Oberfläche mit
einer Antireflexions-Beschichtung sowie eine aktive Schicht aufweist,
die sich von der Reflexionsfläche
in Richtung auf die Oberfläche
mit der Antireflexions-Beschichtung
erstreckt; und
eine Wellenlängen-Auswähleinrichtung
zum Auswählen
von Laserlicht mit einer gewünschten
Wellenlänge
aus dem von dem Halbleiter-Laser durch die Oberfläche mit
der Antireflexions-Beschichtung emittierten Laserlicht sowie zum
Zurückführen des
Laserlichts mit der gewünschten
Wellenlänge
zu dem Halbleiter-Laser durch die Oberfläche mit der Antireflexions-Beschichtung;
wobei
der Halbleiter-Laser einen Fensterbereich aufweist, der zwischen
einem sich in Richtung auf die Oberfläche mit der Antireflexions-Beschichtung
erstreckenden Endbereich der aktiven Schicht und der Oberfläche mit
der Antireflexions-Beschichtung ausgebildet ist, wobei der Fensterbereich
eine Kopplung des Laserlichts mit der gewünschten Wellenlänge ermöglicht,
das von der Wellenlängen-Auswähleinrichtung
zurückgeführt wird,
während
er die Strahlgröße eines
von der Oberfläche
mit der Antireflexions-Beschichtung reflektierten Teils des Laserlichts
bis zum Erreichen der Schicht an dem Endbereich erweitert.
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Ferner
ist gemäß Anspruch
1 der vorliegenden Erfindung folgendes vorgesehen:
eine Winkeldetektionseinrichtung
zum Detektieren eines Winkels zwischen einer optischen Achse des von
dem Halbleiter-Laser emittierten Lichts und einer optischen Achse
des von der Wellenlängen-Auswähleinrichtung
reflektierten, gebeugten Lichts; und
ein Steuerbereich zum Ändern von
wenigstens einer Größe aus einer
Resonatorlänge
des externen Hohlraums und einer ausgewählten Wellenlänge der
Wellenlängen-Aus wähleinrichtung
derart, daß der
von der Winkeldetektionseinrichtung detektierte Winkel Null beträgt.
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Ferner
wird gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine abstimmbare
Laserquellenvorrichtung mit externem Hohlraum angegeben, wobei die
Wellenlängen-Auswähleinrichtung
ein Beugungsgitter und einen Reflektor aufweist.
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Diese
Kurzbeschreibung der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise
alle erforderlichen Merkmale, so daß die Erfindung auch in Form
einer Unterkombination dieser beschriebenen Merkmale vorliegen kann.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung
mit den Begleitzeichnungen noch deutlicher; darin zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm zur Erläuterung der
Konfiguration eines Beispiels einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung,
das für
das Verständnis der
vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
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2 ein
Blockdiagramm zur Erläuterung
eines ersten Ausführungsbeispiels
einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3A bis 3D Ansichten
zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Winkeldetektionseinrichtung der 2;
dabei zeigt 3A eine Ansicht zu Erläuterung
der Konfiguration der Winkeldetektionseinrichtung, 3B zeigt
eine Ansicht zur Erläuterung
der positionsmäßigen Beziehung
zwischen einem Photodetektor und einem Lichtstrahl, und 3C und 3D zeigen
graphische Darstellungen zur Erläuterung
der Beziehung zwischen einem detektierten Signal und der positionsmäßigen Beziehung
zwischen dem Photodetektor und dem Lichtstrahl;
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4A bis 4D Ansichten
zur Erläuterung
der Detektions-Empfindlichkeit hinsichtlich von Fehlersignalen von
der Winkeldetektionseinrichtung der 2; dabei
zeigt 4A eine graphische Darstellung
zur Erläuterung
der Beziehung zwischen einem standardisierten Bestimmungssignal
und der Verlagerung eines Aufstrahlpunkts, 4B zeigt eine
graphische Darstellung zur Erläuterung
der Beziehung zwischen einer standardisierten Lichtstärke und
der Distanz, und 4C und 4D zeigen
Beispiele für
die Form eines Photodetektionsbereichs eines geteilten Photodetektors,
wobei in einem Beispiel ein Spalt zwischen den Photodetektoren vorhanden
ist, während
bei dem anderen Beispiel kein Spalt zwischen diesen vorhanden ist;
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5 eine
Ansicht zur Erläuterung
eines weiteren Beispiels der Konfiguration der Winkeldetektionseinrichtung
der 2;
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6 ein
Blockdiagramm zur Erläuterung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7A und 7B graphische
Darstellungen zur Erläuterung
der Wirkungen der abstimmbaren Laserquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
und zwar zur Erläuterung
einer Wellenlängen-/Verstärkungs-Kennlinie
auf der Basis der Größe des Reflexionsvermögens der
Endfläche,
die festzustellen ist, wenn ein Halbleiter-Laser mit einem bestimmten
Stromwert angesteuert wird;
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8A bis 8E Ansichten
zur Erläuterung
des Prinzips der Bestimmung einer Schwingungswellenlänge für einen
herkömmlichen
Laser mit externem Hohlraum, der ein Beugungsgitter verwendet; dabei
zeigt 8A(a) eine Ansicht zur Erläuterung
der Konfiguration des Lasers mit externem Hohlraum, der das Beugungsgitter
verwendet, 8B zeigt einen optischen Resonator, 8C zeigt
eine graphische Darstellung des Transmissionsgrads, 8D zeigt
eine graphische zur Erläuterung
der Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Verstärkung, und 8E zeigt
eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der
Schwingungswellenlänge,
der ausgewählten Wellenlänge und
der Resonanzwellenlänge;
und
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9A bis 9E Ansichten
zur Erläuterung
von Schwankungen bei der Schwingungswellenlänge, wobei Änderungsraten der Wellenlänge und
der ausgewählten
Wellenlänge
nicht gleich sind; dabei zeigen 9A bis 9D graphische
Darstellungen zur Erläuterung
der Beziehung zwischen der Schwingungswellenlänge, der ausgewählten Wellenlänge und
der Resonanzwellenlänge,
wie diese Änderungen
auftreten, wenn ein Einfallswinkel θ in Stufen variiert wird, und 9E zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Resonatorlänge L und
des Einfallswinkels θ.
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Im
folgenden werden die derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung, wie diese in den Begleitzeichnungen dargestellt sind,
ausführlich
beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende
Teile bezeichnen.
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Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden kurz umrissen.
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Bei
einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung handelt es sich um eine
abstimmbare Laserquellenvorrichtung 1 mit externem Hohlraum,
die einen Halbleiter-Laser 11 zum Erzeugen von Schwingungen
in Laserlicht sowie eine Beugungseinrichtung 3 als Wellenlängen-Auswahleinrichtung
zum Beugen von von dem Halbleiter-Laser emittierten Laserlicht aufweist,
um Laserlicht mit einer vorbestimmten Wellenlänge durch eine Oberfläche mit
einer Antireflexions-Beschichtung zu dem Halbleiter-Laser zurückzuführen, wobei
sich die Laserquellenvorrichtung dadurch auszeichnet, daß der Halbleiter-Laser eine
Antireflexions-Beschichtung aufweist, die auf mindestens eine Emissions-Endfläche 11a gegenüber der
Beugungseinrichtungsseite aufgebracht ist sowie einen Fensterbereich 14 beinhaltet,
der dazu ausgebildet ist zu verhindern, daß eine aktive Schicht 11c die
Endfläche
mit der darauf aufgebrachten Antireflexions-Beschichtung erreicht.
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Der
Fensterbereich 14 ist zwischen einem sich in Richtung auf
die Oberfläche
mit der Antireflexions-Beschichtung erstreckenden Endbereich der aktiven
Schicht und der Oberfläche
mit der Antireflexions-Beschichtung ausgebildet und ermöglicht eine Kopplung
von Laserlicht mit einer gewünschten
Wellenlänge,
das von der Wellenlängen-Auswähleinrichtung
zurückgeführt wird,
während
er die Strahlgröße eines
von der Oberfläche
mit der Antireflexions-Beschichtung reflektierten Teils des Laserlichts
bis zum Erreichen der Schicht an dem Endbereich erweitert.
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Auf
diese Weise kann das Reflexionsvermögen in äquivalenter Weise verbessert
werden, um interne Schwingungsmoden das Halbleiter-Lasers, die durch
restliches Reflexionsvermögen
bedingt sind, in ausreichender Weise einzuschränken, um spontan emittierte
Strahlung zu reduzieren und dadurch wiederum Multimoden-Schwingung
zu verhindern sowie den Bereich zum Variieren der Wellenlänge zu erweitern.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm zur Erläuterung
einer Konfiguration eines Beispiels einer abstimmbaren Laserquellenvorrichtung,
die für
das Verständnis
der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist.
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Die
abstimmbare Laserquellenvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
umfaßt
im Großen
und Ganzen einen optischen Verstärkungsbereich 2 und
eine Beugungseinrichtung 3 als Wellenlängen-Auswähleinrichtung, die ein Beugungsgitter 3a aufweist,
das auch als erster Reflektor 3b wirkt, wie dies in 1 gezeigt
ist.
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Im
vorliegenden Fall beinhaltet der optische Verstärkungsbereich 2 einen
Halbleiter-Laser 11, eine
Stromquelle 12 und eine Linse 13.
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Der
Halbleiter-Laser 11 wird von der Stromquelle 12 angesteuert,
und eine der Endflächen 11a, von
der Laserlicht emittiert wird und die sich auf der Seite der Beugungs einrichtung 3 befindet,
weist eine Antireflexions-Beschichtung mit einer dielektrischen Schicht
auf und bildet eine Oberfläche
mit einer Antireflexions-Beschichtung, während die andere Endfläche 11b,
von der Laserlicht emittiert wird, als Reflexionsfläche in Form
eines zweiten Reflektors verwendet wird.
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Der
Halbleiter-Laser 11 beinhaltet einen Fensterbereich 14,
der mit einer Länge
L1 (z.B. 20 bis 30 μm)
von der Endfläche 11a ausgebildet
ist, um zu verhindern, daß die
als Streifen ausgebildete aktive Schicht 11c die Endfläche 11a erreicht.
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Der
Fensterbereich 14 ist zwischen einem sich in Richtung auf
die Oberfläche 11a mit
der Antireflexions-Beschichtung erstreckenden Endbereich der aktiven
Schicht 11c und der Oberfläche 11a mit der Antireflexions-Beschichtung
gebildet und ermöglicht
ein Einfallen von Laserlicht mit einer gewünschten Wellenlänge, das
von der Beugungseinrichtung 3 als Wellenlängen-Auswähleinrichtung
zurückgeführt wird,
während
es einen von der Oberfläche 11a mit der
Antireflexions-Beschichtung reflektierten Teil des Laserlichts mit
der gewünschten
Wellenlänge
diffundiert.
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Auf
diese Weise wird eine abstimmbare Laserquellenvorrichtung geschaffen,
die in äquivalenter Weise
das Reflexionsvermögen
verbessern kann, um interne Schwingungsmoden des Halbleiter-Lasers
aufgrund restlichen Reflexionsvermögens in ausreichender Weise
einzuschränken,
um spontan emittierte Strahlung zu reduzieren und dadurch eine Multimoden-Schwingung
zu verhindern, während gleichzeitig
der Bereich zum Variieren der Wellenlänge erweitert wird.
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Wenn
für den
Fensterbereich 14 die Länge L1
von der Endfläche 11a groß ist, wird
Licht von dem Fensterbereich 14 absorbiert oder gestreut,
so daß es
sich ausbreitet und nicht in einfacher Weise gekoppelt bzw. gebündelt werden
kann. Daher wird bei dem vorliegenden Beispiel die Länge auf
einen geeigneten Wert (z.B. ca. 20 bis 30 μm) eingestellt, um eine ausreichende
Kopplung zu erzielen.
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Die
Linse 13 wandelt dann von der Endfläche 11a mit der Antireflexions-Beschichtung
des Halbleiter-Lasers 11 emittiertes, divergierendes Licht
in paralleles Licht um, bevor das Licht auf das Beugungsgitter 3a einfällt.
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Ferner
beinhaltet die Beugungseinrichtung 3 ein Beugungsgitter 3a,
das auf der Basis der Littrow-Anordnung ausgebildet ist und auch
als erster Reflektor 3b wirkt, sowie einen Mechanismus
(Einrichtung 3c zum Variieren einer ausgewählten Wellenlänge) zum
rotationsmäßigen Bewegen
des Beugungsgitters 3a.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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2 zeigt
ein Blockdiagramm zur Erläuterung
der Konfiguration des ersten Ausführungsbeispiels der abstimmbaren
Laserquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In 2 sind
die gleichen Komponenten wie die der in 1 gezeigten
abstimmbaren Laserquellenvorrichtung 1A mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine Beschreibung von diesen verzichtet
wird.
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Eine
abstimmbare Laserquellenvorrichtung 1B(1) gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
umfaßt
im Großen
und Ganzen die optische Verstärkungseinrichtung 2,
die Beugungseinrichtung 3 als Wellenlängen-Auswähleinrichtung, die das auch
als ersten Reflektor 3b wirkende Beugungsgitter 3a beinhaltet,
eine Winkeldetektionseinrichtung 4 sowie einen Steuerbereich 5,
wie dies in 2 dargestellt ist.
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Die
abstimmbare Laserquellenvorrichtung 1B verwendet also eine
Konfiguration, bei der dem Laser mit externem Hohlraum, der das
Beugungsgitter 3a auf der Basis der Littrow-Anordnung verwendet,
die Winkeldetektionseinrichtung 4 hinzugefügt ist,
um eine Rückkopplungssteuerung
zu erzielen.
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In 2 beinhaltet
die Beugungseinrichtung 3 das Beugungsgitter 3a,
das auch als erster Reflektor 3b wirkt, sowie einen Mechanismus
(die Einrichtung 3c zum Variieren der ausgewählten Wellenlänge sowie
eine Einrichtung zum Variieren der Resonatorlänge) zum rotationsmäßigen und
translationsmäßigen Bewegen
des Beugungsgitters 3a.
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Die
Winkeldetektionseinrichtung 4 weist einen Strahlteiler 4a,
eine Linse 4b, Photodetektoren 4c und 4d sowie
eine Recheneinrichtung 4e auf.
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Der
Strahlteiler 4a ist zwischen der Endfläche 11a mit der Antireflexions-Beschichtung
des Halbleiter-Lasers 11 und der Beugungseinrichtung angeordnet,
um einen Teil des von der Beugungseinrichtung 3 zu dem
Halbleiter-Laser 11 gerichteten Lichts abzuzweigen.
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Ferner
sammelt die Linse 4b das von dem Strahlteiler 4a abgezweigte
Licht und läßt dieses
in die Photodetektoren 4c und 4d einfallen.
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Bei
diesem Beispiel sind die auf die Linse 4b einfallenden
Lichtstrahlen parallel, so daß ein
von der Linse 4b emittierter Lichtstrahl in der Nähe des Brennpunkts
am dünnsten
ist.
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Daher
sind die Photodetektoren 4c und 4d nahe dem Brennpunkt
der Linse 4b angeordnet, um die Leistung des Lichts in
Form einer rechten und einer linken Hälfte eines durch den Strahlteiler 4a verzweigten
Lichtstrahls zu detektieren, und zwar unter einer Schwingungswellenlänge, bei
der das Auftreten eines Modensprungs unwahrscheinlich ist.
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D.h.,
die Photodetektoren 4c und 4d sind derart angeordnet,
daß sie
jeweils die Hälfte
des von dem Strahlteiler 4a verzweigten Lichtstrahls empfangen,
wenn der Winkel zwischen der optischen Achse des von dem Beugungsgitter 3a auf
den Halbleiter-Laser 11 gerichteten Lichts und der optischen Achse
des von dem Halbleiter-Laser 11 auf das Beugungsgitter 3a gerichteten
Lichts 0° beträgt.
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Auf
der Basis von Photo-Detektionssignalen von den Photodetektoren 4c und 4d berechnet
ferner die Recheneinrichtung 4e die Leistung des Lichts,
die dem Winkel zwischen der optischen Achse des von dem optischen
Verstärkungsbereich 2 auf
die Beugungseinrichtung 3 gerichteten Lichts und der optischen
Achse des von der Beugungseinrichtung 3 zu der optischen
Verstärkungseinrichtung 2 zurückkehrenden
Lichts entspricht.
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Bei
dem vorliegenden Beispiel weist die Recheneinrichtung 4e einen
Differenzverstärker
auf, der Signale von den Photodetektoren 4c und 4d empfängt, um
die Differenz zwischen den Signalen als Fehlersignal abzugeben.
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Der
Steuerbereich 5 stellt die Stromquelle 12 und
die Beugungseinrichtung 3 für vorbestimmte Betriebsbedingungen
auf der Basis eines externen Wellenlängen-Einstellsignals ein und
empfängt
das von der Winkeldetektionseinrichtung 4 abgegebene Fehlersignal,
um die Beugungseinrichtung 3 zu steuern.
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Die
Arbeitsweise der Winkeldetektionseinrichtung 4 wird unter
Bezugnahme auf die 3A bis 3D erläutert.
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3A zeigt
in schematischer Weise die Konfiguration der Winkeldetektionseinrichtung 4 in 2 sowie
die Positionen der Lichtstrahlen in dieser.
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3B zeigt
die Positionen einer lichtdetektierenden Oberfläche sowie einer lichtstrahlmäßigen Beziehung
zwischen diesen.
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Der
Strahlteiler 4a und die Photodetektoren 4c und 4d sind
derart angeordnet, daß sie
die in 3A dargestellte positionsmäßige Beziehung
erfüllen,
und die Recheneinrichtung 4e berechnet die Differenz zwischen
den beiden Photodetektionssignalen.
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Ferner
kann die Beziehung zwischen der lichtdetektierenden Oberfläche des
Photodetektors und einem Lichtstrahl derart sein, daß z.B. zwei
Photodetektoren 4c und 4d jeweils mit einer effektiven lichtdetektierenden
Fläche
derart angeordnet sein können, daß die von
den beiden Photodetektoren 4c und 4d empfangenden
Lichtmengen gleich sind, wenn die Schwingungswellenlänge λ gleich der
ausgewählten
Wellenlänge λg ist, d.h.
wenn der Laser mit einer Wellenlänge
in Schwingung versetzt wird, bei der das Auftreten von Modensprung
unwahrscheinlich ist, wie dies in 3B veranschaulicht
ist.
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Wenn
die tatsächliche
lichtdetektierende Oberfläche
für die
Strahlgröße zu klein
ist, kann eine geeignete Linse oder dergleichen zum Einstellen der Dicke
verwendet werden.
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3C zeigt
Photodetektionssignale von den Photodetektoren 4c und 4d für die Differenz
zwischen der ausgewählten
Wellenlänge λg und der Schwingungswellenlänge λ.
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Wenn
die Gesamtleistung des Lichts in den zu den Photodetektoren 4c und 4d gerichteten
Strömen
konstant ist, ist es normal, daß bei
Bewegung des Lichtstrahls nach links ausgehend vom Zentrum die Leistung
des von dem linken Photodetektor 4c empfangenen Lichts
zunimmt und dadurch ein Photodetektionssignal Sa erhöht wird,
während
ein Photodetektionssignal Sb von dem rechten Photodetektor 4d abgeschwächt wird.
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Wenn
die Recheneinrichtung 4e die Differenz Sb – Sa zwischen
den beiden Photodetektionssignalen berechnet, erhält man somit
ein Fehlersignal, wie es in 3D dargestellt
ist.
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Zum
Eliminieren von Schwankungen in der Gesamtleistung des Lichts in
den auf die Photodetektoren 4c und 4d gerichteten
Lichtstrahlen kann die Recheneinrichtung 4e (Sb – Sa)/(Sb
+ Sa) rechnen.
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Die
Detektionsempfindlichkeit für
das Fehlersignal wird nun unter Bezugnahme auf die 4A bis 4D erläutert.
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Es
sei angenommen, daß es
sich bei dem Lichtstrahl um einen vom Gaußschen Typ handelt, wobei ein
zweiteiliger Photodetektor verwendet wird, der ausreichend breiter
als die Strahlgröße ist.
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4B zeigt
die Verteilung der Stärke
eines gaußschen
Lichtstrahls, wobei der Strahlradius als Einheit entlang der Abszisse
verwendet wird.
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Der
Strahlradius ist definiert sowohl als Distanz, bei der die Stärke auf
1/e (e ist der natürliche Logarithmus)
des Zentrums des Lichtstrahls abnimmt, als auch als Distanz (halbe
Breite bei halbem Maximum), bei der die Stärke auf die Hälfte des
Zentrums des Lichtstrahles geringer wird.
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Die 4C und 4D zeigen
Beispiele für die
Formgebung einer lichtdektierenden Fläche des geteilten Photodetektors.
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Hierbei
zeigt 4C einen Fall, in dem kein Spalt
zwischen den durch virtuelle Teilung gebildeten lichtdetektierenden
Flächen
vorhanden ist.
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Ferner
veranschaulicht 4D einen Fall, in dem der Spalt
gleich dem Strahlradius ist, der durch 1/e der Stärke des
Lichtstrahls definiert ist.
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Die
Kreise in den 4C und 4D sind
in bezug auf den Strahlradius gezeichnet, der durch 1/e der Stärke des
Lichtstrahls definiert ist, und veranschaulichen die Beziehung zwischen
der Größe des Spalts
und der Strahlgröße.
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4A zeigt
ein Bestimmungssignal (Sb – Sa)/(Sb
+ Sa); die durchgezogene Linie entspricht 4C, während die
unterbrochene Linie 4D entspricht.
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In
diesem Fall ist der Nullpunkt der Achse der Abszisse in 4A auf
der Basis eines Falls gesetzt, bei dem das Zentrum des Lichtstrahls
auf der Teilungslinie liegt.
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Die
Neigung der durchgezogenen Linie in 4A in
der Nähe
des Nullpunkts, d.h. die Detektionsempfindlichkeit auf der Basis
des Strahlradius, beträgt
ca. 0,94 (2(log2/π)1/2), wenn der Strahlradius der halben Breite
bei halbem Maximum (HWHM) entspricht, wie dies entlang der Abszisse
dargestellt ist.
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Diese
Neigung ist in Wirklichkeit aufgrund des Spalts zwischen den lichtdetektierenden
Flächen geringer,
jedoch erhält
man die Neigung von ca. 0,8 in der Nähe des Nullpunkts selbst bei
einem Spalt, der gleich dem Strahlradius ist, wie dies in unterbrochener
Linie dargestellt ist.
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Da
die auf den Photodetektor auftreffende Strahlgröße unter Verwendung einer Linse
oder dergleichen variiert werden kann, führt die Verminderung der Detektionsempfindlichkeit
aufgrund des Spalts zu keinem Problem, wenn die Dicke für die Formgebung
der lichtdetektierenden Fläche
angemessen ist.
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Andererseits
handelt es sich bei der Wellenlängenauflösung des
Beugungsgitters um den Betrag der Schwankungen in der Wellenlänge, die
ein Verschieben der Beugungsrichtung um die halbe Breite bei halbem
Maximum des Strahls hervorrufen.
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Wenn
nun die Differenz zwischen der Schwingungswellenlänge und
der ausgewählten Wellenlänge 1 Zehntel
der Auflösung
des Beugungsgitters beträgt,
beträgt
das Bestimmungssignal ca. 0,8, wobei dies etwa 8% der vollen Skala
entspricht (0 bis 1 auf der Ordinate in 4A). D.h.,
die Detektionsempfindlichkeit ist ausreichend.
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Mit
der Littrow-Anordnung, die für
den Laser mit externem Hohlraum und unter Verwendung des Halbleiter-Lasers
häufig
zum Einsatz kommt, beträgt das
Verhältnis
zwischen der Auflösung
des Beugungsgitters und dem freien Spektralbereich des Resonators
ca. 5 oder mehr.
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Ein
effektives Steuern dieser Konfiguration macht somit eine Detektionsempfindlichkeit
erforderlich, die zum Detektieren der Differenz zwischen der Schwingungs wellenlänge λ und der
ausgewählten Wellenlänge λg mit ca.
1 Zehntel oder weniger der Auflösung
des Beugungsgitters ausreichend ist.
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Der
Wert des vorstehend beschriebenen Fehlersignals bedeutet, daß ein ausreichend
bestimmbares Signal selbst dann erzielt werden kann, wenn ein niedriges
Signal-Rausch-Verhältnis festgestellt
wird.
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Die
Positionen der Photodetektoren werden wünschenswerterweise zu Beginn
derart eingestellt, daß die
beiden Photodetektionssignale unter Bedingungen, die den Modensprung
einschränken,
einander möglichst
gleich sind.
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Das
vorliegende Beispiel ermöglicht
jeoche eine Kompensation mit elektrischer Verarbeitung zum Bilden
des Fehlersignals aus den Photodetektionssignalen trotz einer unvollständigen Ausrichtung der
Photodetektoren oder vorübergehender
Schwankungen.
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Wenn
z.B. die Recheneinrichtung 4e einen Wert von Sb – g·Sa rechnet,
ist ein Variieren des Koeffizienten g relativ zu 1 nahezu äquivalent
mit einer gleichzeitigen Bewegung der Photodetektoren 4c und 4d in
seitlicher Richtung.
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Somit
ist es nicht erforderlich, mechanische Einstellungen unter Öffnen und
Zerlegen der Vorrichtung vorzunehmen.
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Es
gibt verschiedene mögliche
Verfahrensweisen zum Anordnen der Photodetektoren 4c und 4d in
einer anderen Weise als in 3A, bei
der der gleiche gebeugte Lichtstrahl geteilt und empfangen wird.
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5 zeigt
ein Beispiel einer derartigen Konfiguration.
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Bei
dieser Anordnung wird von dem Strahlteiler 4a geteiltes
Licht durch einen zweiten Strahlteiler 21 nochmals geteilt,
und Abschirmplatten 22a und 22d sind in den beiden durch
das Teilen gebildeten Lichtstrahlen angeordnet, so daß die Lichtstrahlen
von den Photodetektoren 4c und 4d empfangen werden.
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Wenn
in diesem Fall die Abschirmplatte 22a oder 22b zum
Abschirmen der rechten oder der linken Hälfte jedes Lichtstrahls verwendet
wird, ist diese Konfiguration äquivalent
zu der in 3A gezeigten.
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Wenn
ohne die Abschirmplatte 22a der zweite Strahlteiler 21 ein
Verzweigungsverhältnis
von z.B. 1:1 aufweist, erhält
man ferner ein Fehlersignal ähnlich
dem in 3A gezeigten unter Verwendung
der Recheneinrichtung 4a zum Berechnen von Sb – Sa/2 auf
der Basis der Photodetektionssignale Sa und Sb.
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Wenn
in diesem Fall die Gesamtleistung des dem Photodetektionssignal
Sa entsprechenden Lichts variiert, wird das Fehlersignal nicht beeinflußt.
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Da
der Photodetektor 4c das Photodetektionssignal Sa proportional
zu der Gesamtleistung des durch den Strahlteiler 4a geteilten
Lichts abgibt, wird alternativ bei Steuerung des in den Halbleiter-Laser 11 injizierten
Stroms in einer Weise, daß das
Photodetektionssignal Sa auf einem konstanten SO Wert aufrechterhalten
bleibt, der Recheneinrichtung 4e nur das Photodetektionssignal
Sb zugeführt,
um Sb – S0/2
zu berechnen.
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Ferner
können
die Abschirmplatten 22a und 22b weggelassen werden,
und die Photodetektoren 4c und 4d können derart
vom Zentrum des Lichtstrahls verlagert werden, daß die Hälfte des
Lichtstrahls auf die wirksame lichtdetektierende Fläche einfällt.
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Da
vorliegend von der Rückkopplungssteuerung
ausgegangen wird, ist das Beispiel mit den beiden Photodetektoren
veranschaulicht worden, um den Vorgang zum Erzeugen des Fehlersignals
aus Beobachtungssignalen zu vereinfachen.
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Es
kann jedoch auch eine Verfahrensweise verwendet werden, die die
Bewegung eines Schwerpunkts in der Verteilung der Stärke eines
Lichtstrahls unter Verwendung einer CCD-Anordnung bzw. einer Anordnung
mit ladungsgekoppelter Vorrichtung detektiert, die die Stärken-Verteilung
in eindimensionaler oder in zweidimensionaler Weise detektiert oder die
ein Element verwendet, das die Position eines Bestrahlungspunkts
in einen elektrischen Widerstand umwandelt.
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Andere
mögliche
Verfahren beinhalten den Empfang von in 3A mittels
des Strahlteilers 4a nach oben geteiltem Licht, d.h. von
Licht, das von dem Halbleiter-Laser 11 in
Richtung auf das Beugungsgitter 3a gerichtet wird, um die
Leistung dieses Lichts sowie einen der in 3A gezeigten
Photodetektoren 4c und 4d zu verwenden und somit
nur einen der Photodetektoren 4c und 4d in 3A zu
verwenden, jedoch sind diese Verfahrensweisen von Nachteil, da das
Fehlersignal durch die Beugungseffizienz oder Beugungsschwankungen
in der Gesamtleistung des Lichts beeinträchtigt wird.
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Es
ist auch möglich,
die Photodetektoren 4c und 4d in einen Teil des
Lichtstrahls innerhalb des externen Hohlraums ohne die Verwendung
des Strahlteilers 4a einzusetzen, doch die Stärken-Verteilung
des Lichtstrahls kann gestört
werden und dadurch kann wiederum die Auflösung des Beugungsgitters reduziert
werden, oder es kann Streulicht zu dem Halbleiter-Laser 11 zurückgeführt werden,
so daß die
Schwingung instabil wird.
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Darüber hinaus
kann die Rückkopplungssteuerung
für eine
oder beide Resonatorlängen
vorgesehen werden, d.h. die Schwingungswellenlänge und die ausgewählte Wellenlänge, jedoch
wird im allgemeinen die Resonatorlänge gesteuert.
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Der
Grund hierfür
ist folgender: Die Schwingungswellenlänge ist in dem ausgewählten Wellenlängenband
enthalten, und es gibt eine Vielzahl von Resonanzwellenlängen. Bei
Anwendungen, bei denen der Laser nahe einer gewünschten Wellenlänge in Schwingung
versetzt wird, ist es üblich,
eine ausgewählte
Wellenlänge
vorzugeben, um der Resonanzwellenlänge die Möglichkeit zu geben, dieser ausgewählten Wellenlänge zu folgen.
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Wenn
ferner die Schwingungswellenlänge auf
eine Wellenlänge
verändert
wird, die nicht kontinuierlich mit dieser ist und von dieser im
wesentlichen getrennt ist, ist es schwierig, die Wellenlänge unter
Verwendung des Verfahrens, bei dem die Resonanzwellenlänge der
ausgewählten
Wellenlänge folgen
kann, prompt zu verändern.
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Selbstverständlich werden
Mittel zum Variieren der Resonanzwellenlänge und der ausgewählten Wellenlänge häufig unter
Verwendung einer mechanischen Verlagerung realisiert, so daß die maximale Verlagerung
und die Verlagerungsauflösung
der Variationsmittel begrenzt sind.
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Wenn
es einfacher ist, die Resonanzwellenlänge derart zu steuern, daß diese
der ausgewählten Wellenlänge folgt,
läßt sich
somit diese Steuerung ausführen.
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Bei
der abstimmbaren Laserquellenvorrichtung des vorstehend beschriebenen
Beispiels wird somit der Laser mit einer einzigen Resonanzmodus-Wellenlänge innerhalb
eines ausgewählten
Wellenlängenbands
auf der Basis der Resonatorlänge des
externen Hohlraums in Schwingung versetzt, der zwischen der lichtemittierenden
Endfläche 11b des Halbleiter-Lasers 11 und
dem Beugungsgitter 3a der Beugungseinrichtung 3 ausgebildet
ist.
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Der
in dem externen Hohlraum vorgesehene Strahlteiler 4a zweigt
einen Teil des von der Beugungseinrichtung 3 zurückgeführten Lichts
zu dem Halbleiter-Laser 11 ab, so daß die Leistung des Lichts im
wesentlichen in der rechten und der linken Hälfte des verzweigten Lichtstrahls
von den Photodetektoren 4c und 4d empfangen wird
und in elektrische Signale umgewandelt wird.
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Die
beiden gewonnenen Signale werden in die Recheneinrichtung 4e eingespeist,
und die Differenz zwischen ihnen wird berechnet und in ein Signal umgewandelt,
das im wesentlichen proportional ist zu dem Winkel zwischen der
optischen Achse des von dem Halbleiter-Laser 11 zu dem
Beugungsgitter 3 gerichteten Lichts sowie der optischen
Achse des von der Beugungseinrichtung 3 zu dem Halbleiter-Laser 11 gerichteten
Lichts.
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Dieses
Signal zeigt die Trennung zwischen der Schwingungswellenlänge und
der ausgewählten Wellenlänge zusammen
mit deren größenordnungsmäßiger Beziehung
zueinander an.
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Wenn
der Steuerbereich 5 dieses Signal zu der Einrichtung 3d zum
Variieren der Resonatorlänge (Beugungsgitter-Translationsmechanismus)
zurückführt, wird
der Regelkreis geschlossen, so daß die Schwingungswellenlänge der
ausgewählten
Wellenlänge
folgen kann.
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Die
beiden Photodetektionsflächen
der Photodetektoren 4c und 4d sind wünschenswerterweise nahe
beieinander angeordnet, so daß bei
dem vorliegenden Beispiel eine Photodiode mit einer zweiteiligen
Photodetektionsfläche
verwendet wird.
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Bei
diesem Beispiel ist die Linse 4b vorgesehen, und die Photodetektoren 4c und 4d sind
nahe dem Brennpunkt von dieser angeordnet; diese Konfiguration wird
zum Maximieren der Detektionsempfindlichkeit des Winkeldetektionseinrichtung 4 sowie zum
Reduzieren der Distanz zwischen dem Strahlteiler 4a und
den Photodetektoren 4c und 4d verwendet.
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Wenn
Schwankungen in dem Winkel des Lichtstrahls anhand einer Verlagerung
des Lichtstrahls auf einer Beobachtungsebene detektiert werden sollen,
ist im allgemeinen die Distanz zwischen einer Position, an der die
Schwankung auftritt, und der Beobachtungsebene proportional zu der
Verlagerung des Lichtstrahls auf der Beobachtungsebene.
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Andererseits
nimmt der Strahlradius des Lichtstrahls linear mit der Distanz zwischen
einem Strahl-Einschnürungsposition
und der Beobachtungsebene zu, doch diese Zunahmen basieren nicht auf
einer einfachen proportionalen Beziehung.
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Im
Fall des Lasers vom Typ mit externem Hohlraum weist der Lichtstrahl
an der Stelle, an der der Winkel variiert, parallele Strahlen auf,
so daß die Stelle,
an der der Winkel variiert, als identisch mit der Strahl-Einschnürungsposition
betrachtet werden kann.
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Somit
ist die Distanz zu der Beobachtungsebene im wesentlichen proportional
zu dem Strahlradius an einer von der Strahl-Einschnürungsposition ausreichend
abgelegenen Stelle, während
die Differenz in der Nähe
der Strahleinschnürung
allmählich zunimmt.
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Wenn
die Verlagerung des Lichtstrahls auf der Basis des Strahlradius
gemessen werden soll, ist vorzugsweise eine größere Distanz zwischen der Stelle,
an der der Winkel variiert, sowie der Beobachtungsebene vorhanden.
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Als
ein Beispiel in Zahlen ist bei einem gaußschen Lichtstrahl mit einer
Wellenlänge
von 1,55 μm und
einem Strahlradius von 1 mm, das abgelegene Ende einer Fresnel-Fläche ca.
4 m von der Strahleinschnürung
entfernt.
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Die
Verlagerung des Lichtstrahls auf der Basis des Strahlradius beträgt in diesem
Fall ca. das 0,7-fache (= 1/2)1/2 der Größe an dem
Punkt der Unendlichkeit, und die Beobachtungsebene ist wünschenswerterweise
10 m oder mehr von der Strahleinschnürung entfernt.
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Das
tatsächliche
Einstellen der Beobachtungsebene auf eine solche entfernte Position
kann eine größere Ausbildung
der Vorrichtung erforderlich machen und zu solchen nachteiligen
Effekten, wie Vibrationen und Schwankung oder Streuung von Luft
in dem optischen Weg, führen.
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Daher
wird bei dem vorliegenden Beispiel die Linse 4b verwendet,
um anschließend
ein reduziertes Fernfeldmuster auf einer Brennebene zu schaffen,
an dem Licht empfangen wird. Bei dem vorstehend beschriebenen numerischen
Beispiel beträgt bei
Anordnung der Brennebene in einer Distanz von 10 m der Strahlradius
in dieser ca. 2,7 mm, und der Lichtstrahl auf der Strahlungsebene
wird um 1 mm verlagert, wenn die Schwankung in dem Winkel äquivalent
zu 0.1 mrad ist.
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Die
Verlagerung des Lichtstrahls auf der Basis des Strahlradius beträgt somit
1/2,7 = 0,37.
-
Andererseits
beträgt
die Verlagerung des Lichtstrahls auf der Basis des Strahlradius
10/25 = 0,4.
-
Wie
aus einem Vergleich zwischen diesen Zahlenbeispielen ersichtlich
ist, ermöglicht
die Verwendung der Linse 4b die Erzielung der besten Detektionsempfindlichkeit
bei der kleinsten Distanz.
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Die
Linse 4b wird auch für
die Anpassung der Strahlgröße an die
Größe der Photodetektionsflächen der
Photodetektoren 4c und 4d oder des Spalts zwischen
diesen verwendet.
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Wenn
von den Oberflächen
der Photodetektoren 4c und 4d reflektiertes Licht
zu dem Laser-Resonator zurückkehrt,
kann ferner die Schwingung instabil werden. Aus diesem Grund kann
ein optischer Isolator in den durch den Strahlteiler 4a verzweigten optischen
Weg eingefügt
werden.
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In
diesem Fall ist die Linse 4b zum Erleichtern des Einsetzens
des optischen Isolators von Nutzen.
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Im
allgemeinen entspricht die in Richtung auf das Beugungsgitter 3a gerichtete
Strahlgröße einem Strahlradius
von mehreren Millimetern, um eine hohe Wellenlängenauflösung des Beugungsgitters 3a zu erzielen.
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Andererseits
haben viele im Handel erhältliche
Photodetektoren und optische Isolatoren einen effektiven Radius
von 1 mm oder weniger.
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Somit
kann die Linse zum Reduzieren der Strahlgröße verwendet werden, um eine
Verminderung in der Detektionsempfindlichkeit aufgrund eines unangemessenen Strahlradius
oder einer Abschattung bedingt durch den optischen Isolator zu verhindern.
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Aus
Gründen
der Vereinfachung verwendet das vorliegende Beispiel eine einzige
konvexe Linse, jedoch kann auch eine Vielzahl von Linsen miteinander
kombiniert werden oder es können
auch gekrümmte
Spiegel verwendet werden. Diese zusätzlichen Linsen sind wirksam,
wenn der Strahlradius eingestellt werden muß, oder auch in anderen Fällen.
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Zum
Variieren der Reosnatorlänge
des externen Hohlraums kann nicht nur die Einrichtung 3d zum
Variieren der Resonatorlänge
im Inneren der Beugungseinrichtung 3 vorgesehen sein, sondern
es kann auch ein zweiter Reflektor translationsmäßig bewegt werden, ein Teiberstrom
für den
Halbleiter-Laser kann variiert werden und ein Übertragungsmedium zum Variieren
der Länge
des optischen Weges kann in den externen Hohlraum eingefügt werden,
um die Dicke oder das Reflexionsvermögen von diesem zu variieren.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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6 zeigt
ein Blockdiagramm zur Erläuterung
der Konfiguration des zweiten Ausführungsbeispiels der abstimmbaren
Laserquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In 6 sind
die gleichen Komponenten wie die des in 2 gezeigten
ersten Ausführungsbeispiels
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine Beschreibung
davon verzichtet wird.
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Eine
abstimmbare Laserquellenvorrichtung 1C(1) gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
umfaßt
im Großen
und Ganzen die optische Verstärkungseinrichtung 2,
die Beugungseinrichtung 3B(3) als Wellenlängen-Auswähleinrichtung,
die das Beugungsgitter 3a, den ersten Reflektor 3b und
den zweiten Reflektor 3e aufweist, die Winkeldetektionseinrichtung 4 sowie
den Steuerbereich 5, wie dies in 6 gezeigt
ist.
-
D.h.
die abstimmbare Laserquellenvorrichtung 1C verwendet eine
Konfiguration, bei der die Winkeldetektionseinrichtung 4 dem
Laser mit externem Hohlraum hinzugefügt ist, der das Beugungsgitter 3a auf
der Basis einer Littman-Anordnung verwendet, um eine Rückkopplungssteuerung
zu erzielen.
-
Bei
dieser abstimmbaren Laserquellenvorrichtung 1C wird von
dem optischen Verstärkungsbereich 2 auf
das Beugungsgitter 3a einfallendes Licht gebeugt, und das
gebeugte Licht (bei dem es sich um anderes Licht als gebeugtes Licht
der nullten Ordnung handelt) wird von dem Spiegel 3b, d.h.
dem ersten Reflektor, reflektiert und trifft dann wieder auf das Beugungsgitter
auf und wird zur dem optischen Verstärkungsbereich 2 zurückgeführt.
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Eine
Laserschwingung findet somit zwischen der einen Endfläche 11b des
Halbleiter-Lasers 11 und
dem Beugungsgitter 3a sowie dem Spiegel 3b statt.
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Eine
derartige Laserschwingungskonfiguration wird als "Littman-Anordnung" bezeichnet.
-
Die
ausgewählte
Wellenlänge
kann durch ein rotationsmäßiges Bewegen
des Spiegels 3b variiert werden, und die Resonanzwellenlänge kann
durch ein translationsmäßiges Bewegen
des Spiegels 3b variiert werden.
-
Ferner
sind die Konfiguration und die Arbeitsweise des Steuerbereichs 5 ähnlich zu
denen der abstimmbaren Laserquellenvorrichtung 1B gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
mit der Ausnahme, daß der
Spiegel 3b bewegt wird und daß ein Steuersignal, das eine
Niedrigfrequenz-Komponente aufweist, zu der Einrichtung 3d zum
Variieren der Resonatorlänge
zurückgeführt wird,
während
ein Steuersignal, das eine Hochfrequenzkomponente aufweist, zu der
Stromquelle 12 zurückgeführt wird.
-
Da
der Halbleiter-Laser 11 dadurch gekennzeichnet ist, daß sein internes
Reflexionsvermögen durch
den Strom variiert wird, der durch einen aktivierten Bereich oder einen
Phasensteuerbereich fließt,
kann die Resonatorlänge
des externen Hohlraums durch Variieren des Treiberstroms variiert
werden.
-
Somit
wird die Resonatorlänge
durch die Einrichtung 3d zum Variieren der Resonatorlänge sowie durch
den Treiberstrom von der Stromquelle 12 für den Halbleiter-Laser 11 bestimmt.
-
Eine
Resonatorkonstruktion, wie bei dem vorliegenden Beispiel, ermöglicht dem
Beugungsgitter 3a das Erreichen einer hohen Wellenlängen-Selektivität in einfacherer
Weise als eine Resonatorkonstruktion, die auf einer Littrow-Anordnung
basiert, wie im Fall des in 2 dargestellten
zweiten Ausführungsbeispiels.
-
Infolgedessen
variiert der Beugungswinkel in signifikanter Weise in Abhängigkeit
von einer kleinen Variation bei der Schwingungswellenlänge, so
daß sich
die Detektionsempfindlichkeit bei Schwankungen in der Schwingungswellenlänge verbessern
läßt, so daß Modensprung
in zuverlässigerer
Weise unterbunden werden kann.
-
Ferner
kann die Resonatorlänge
des externen Hohlraums mit hoher Geschwindigkeit gesteuert werden,
und zwar durch Zurückführen der
Hochfrequenzkomponente des Steuersignals als Treiberstrom für den Halbleiter-Laser 11.
-
Dies
ist beim Verhindern von Modensprung wirksam, wie z.B. solchem Modensprung,
wie er durch Vibrationen verursacht wird, die von einer Hochfrequenzstörung stammen
und denen nicht mechanisch gefolgt werden kann.
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Ferner
muß bei
einem Abtasten der Wellenlänge
die Resonanzwellenlänge
in einer Weise variieren, daß sie
der Abtastung der ausgewählten
Wellenlänge
folgt.
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Die
Verwendung der Stromrückführung zu dem
Halbleiter-Laser 11 ermöglicht
der Resonanzwellenlänge,
mit einer hohen Geschwindigkeit zu folgen, so daß die Wellenlängen-Abtastgeschwindigkeit
auf einen hohen Wert eingestellt werden kann.
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Wie
vorstehend beschrieben worden ist, ist bei den abstimmbaren Laserquellenvorrichtungen 1A, 1B und 1C,
die in den 1, 2 und 6 dargestellt
sind, die Emissions-Endfläche 11a des Halbleiter-Lasers 11,
die der Seit des Beugungsgitters 3 (Beugungsgitter 3a)
gegenüberliegt,
mit einer Antireflexions-Beschichtung versehen und der Fensterbereich 14 ist
derart ausgebildet, daß die
aktive Schicht 11c daran gehindert ist, die mit einer Antireflexions-Beschichtung
versehene Endfläche 11a zu erreichen.
Die Vorrichtungen 1A, 1B und 1C können somit
interne Schwingungsmoden des Halbleiter-Lasers 11 in ausreichender
Weise unterbinden, um spontan emittierte Strahlung zu vermindern.
-
Infolgedessen
kann das Reflexionsvermögen
in äquivalenter
Weise verbessert werden, um interne Schwingungsmoden des Halbleiter-Lasers
bedingt durch restliches Reflexionsvermögen in ausreichender Weise
einzuschränken,
um spontan emittierte Strahlung zu reduzieren und dadurch wiederum Multimoden-Schwingung
zu verhindern, während sich
der Bereich zum Variieren der Wellenlänge erweitern läßt.
-
Die 7A und 7B zeigen
einen Wellenlängen-Verstärkungs-Knlinie
auf der Basis der Größe des Endflächen-Reflexionsvermögens, das auftritt,
wenn der Halbleiter-Laser mit einem bestimmten Stromwert angesteuert
wird.
-
Wie
in den 7A und 7B gezeigt
ist, sind Endflächen-Reflexionsvermögen, die
man bei Ansteuern des Halbleiter-Lasers mit einem bestimmten Stromwert
erhält,
mit R1 und R2 (R1 < R2)
bezeichnet, und diese werden zusammen hinsichtlich einer Verstärkungs-Spektralkennlinie,
nämlich
dem Reflexionsvermögen
R2, verglichen, das höher
ist als das Reflexionsvermögen
R1 und eine höhere
Verstärkungsspitze,
jedoch eine schmalere Verstärkungs-Halbbreite Δλ2 hat.
-
Mit
der abstimmbaren Laserquellenvorrichtung 1 dieses Beispiels,
die nicht nur die Oberfläche mit
der Antireflexionsschicht der Antireflexions-Beschichtung hat, sondern
auch den Fensterbereich 14 aufweist, der vorgesehen ist,
um zu verhindern, daß der
aktivierte Bereich 11c die Endfläche 11a erreicht, wird
das Reflexionsvermögen
im Vergleich zum Stand der Technik reduziert, und dadurch wird die Verstärkungs-Halbbreite Δλ1 trotz der
begrenzten Spitzenverstärkung
verbreitert.
-
Das
Bereich zum Variieren der Wellenlänge kann in entsprechender
Weise erweitert werden.
-
Wenn
z.B. der Fensterbereich 35 μm
beträgt, kann
das Reflexionsvermögen
auf 1 Zehntel oder weniger von dem Wert reduziert werden, den man
nur mit der Antireflexions-Beschichtung erhält, und das variable Wellenlängenband
kann auf ein Band zwischen ca. 150 nm und ca. 200 nm erweitert werden.
-
Ferner
kann in bezug auf Multimoden-Schwingung die herkömmliche Konstruktion hohe Welligkeiten
r in einem Spektrum aufgrund ihres hohen restlichen Reflexionsvermögens hervorrufen.
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Diese
Welligkeiten werden vorzugsweise minimiert, da sie Multimoden-Schwingung
oder die Schwankung der Ausgangssignale hervorrufen können, während die
Wellenlänge
variiert.
-
Gemäß der abstimmbaren
Laserquellenvorrichtung 1 (1A, 1B und 1C)
dieses Beispiels kann das Ausmaß an
Welligkeit von ca. 1,5 dB auf ca. 0,5 dB reduziert werden, wobei
dieser Wert nur dann zu messen ist, wenn die Antireflexions-Beschichtung vorgesehen
ist.
-
Wie
aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, ist bei der vorliegenden
Erfindung die Emissions-Endfläche
des Halbleiter-Lasers, die dem Beugungsgitter gegenüberliegt,
mit einer Antireflexions-Beschichtung versehen und der Fensterbereich ist
derart ausgebildet, daß die
aktive Schicht daran gehindert ist, die mit der Antireflexions-Beschichtung versehene
Endfläche
zu erreichen. Diese Konfiguration dient zur Schaffung einer abstimmbaren
Laserquellenvorrichtung, die interne Schwingungsmoden des Halbleiter-Lasers
in ausreichender Weise unterbinden kann, um spontan emittierte Strahlung
zu reduzieren und dadurch wiederum Multimoden- Schwingung zu verhindern, während gleichzeitig der
Bereich zum Variieren der Wellenlänge erweitert wird.