DE60216158T2

DE60216158T2 - Bezüglich wellenlänge abstimmbarer resonator mit einem prisma

Info

Publication number: DE60216158T2
Application number: DE60216158T
Authority: DE
Inventors: Jochen Schwarz
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2022-08-31
Also published as: EP1537637B1; DE60216158D1; US20070104231A1; EP1537637A1; WO2004021530A1; AU2002333762A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonator mit abstimmbarer Wellenlänge.
Die Bedeutung von Resonatoren mit abstimmbarer Wellenlänge nimmt in der Industrie, insbesondere im Messgerätebau für optische Datenübertragung, zu. Typische Ausführungsformen von Resonatoren mit abstimmbarer Wellenlänge werden zum Beispiel von Liu, K. und Littmann, G. in „Novel Geometry for Single-Mode Scanning of Tunable Lasers", Optics Letters 6 (3), S 117 bis 118 (1981), oder von Xu, G., Fujii, K.-I. und Nakayama, S. in „Experimental Study on a Prism – External – Resonator Semiconductor Laser with Dispersion Feedback", Review of Laser Engineering, Bd. 25, Nr. 6, S. 431 bis 433 (1997) vorgeschlagen.
In der US-Patentschrift 5 550 850 wird ein Resonator mit abstimmbarer Wellenlänge beschrieben, der einen ersten Reflektor und einen zweiten Reflektor umfasst, welcher einen Resonator mit einer optischen Weglänge, ein Verstärkungsmedium zum Erzeugen und Emittieren des Lichtstrahls auf den ersten und den zweiten Reflektor und ein drehbares Prisma umfasst, die innerhalb des optischen Weges angeordnet sind, wobei das Prisma gedreht wird, um die Wellenlänge des Lichtstrahl genau abzustimmen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Resonator mit abstimmbarer Wellenlänge bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsarten werden durch die Unteransprüche dargelegt.
Gemäß den bevorzugten Ausführungsarten der Erfindung umfasst ein Resonator mit abstimmbarer Wellenlänge mindestens zwei Reflektoren, welche die optische Weglänge eines Resonators definieren. Beide Spiegel reflektieren einen einfallenden Strahl einer elektromagnetischen Strahlung jeweils auf den anderen Spiegel. Durch den so definierten Resonator bilden sich Resonanzzustände der elektromagnetischen Strahlung des zwischen beiden Spiegeln reflektierten Strahls aus. Die Wellenlänge der jeweiligen Resonanzzustände hängt von der optischen Weglänge des Resonators ab.
Im Innern des Resonators ist ein Verstärkungsmedium zum Verstärken oder Erzeugen und Emittieren eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlung in den Resonator untergebracht. Als Verstärkungsmedium kann ein beliebiges Lichtverstärkungsmedium dienen, insbesondere ein Halbleiterlaser-Chip.
Innerhalb des optischen Weges des zwischen den Spiegeln reflektierten Strahls ist ein Prisma angeordnet. Das Prisma bricht einen einfallenden Strahl in Abhängigkeit vom Einfallswinkel zwischen der Strahlrichtung und einer Senkrechten zur einer ersten Fläche des Prismas. Das Prisma umfasst auch eine zweite Fläche, die gegenüber der ersten Fläche geneigt ist. Der optische Weg des Strahls verlässt das Prisma durch die zweite Fläche in Richtung des zweiten Reflektors.
Es ist klar, dass gemäß der vorliegenden Erfindung der Begriff „Prisma" für jedes beliebige im Wesentlichen transparente Bauelement gilt, das aus einem dispergierenden Material besteht und eine erste und eine zweite Fläche aufweist, wobei die beiden Flächen gegeneinander geneigt sind, um Teile eines einfallenden Strahls in Strahlen mit je nach ihrer Wellenlänge verschiedenen Brechungswinkeln zu trennen. Die erste und/oder die zweite Fläche des Prismas können sogar auch gekrümmt sein.
Das Prisma umfasst ein dispergierendes Material derart, dass der aus dem Prisma, z.B. in Richtung des zweiten Reflektors, austretende Strahl, eine bestimmte Wellenlänge aufweist, die der Bedingung genügt, dass sie wieder direkt zurück in Richtung des Prismas und des ersten Reflektors reflektiert wird. Teile des Strahl mit unterschiedlichen, durch das Prisma gebrochenen oder zurückgeworfenen Wellenlängen, die dieser Bedingung nicht genügen, verlassen somit den Resonator. Folglich fungiert das Prisma als Wellenlängenfilter, das einen vergleichsweise schmalen Wellenlängenbereich aussondert.
Damit die Wellenlänge des Resonators abgestimmt werden kann, kann mindestens einer der Reflektoren verschoben werden, um die optische Weglänge des Resonators zu vergrößern oder zu verkleinern. Dadurch werden die Wellenlängen der im Innern des Resonators entstehenden Resonanzzustände verschoben.
Das Prisma ist mit einer Drehfunktion ausgestattet, sodass der Einfallswinkel bezüglich der ersten Fläche des Prismas variiert werden kann. Die Drehung kann um eine Drehachse erfolgen, die sich gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung auf vorteilhafte Weise z.B. entlang einer in der ersten Fläche des Prismas liegenden Linie erstrecken kann, sodass sich der vom Verstärkungsmedium emittierte Strahl und die Drehachse schneiden. Somit tritt der einfallende Strahl unabhängig vom Einfallswinkel zwischen dem Strahl und der Fläche bzw. unabhängig vom effektiven Drehwinkel des Prismas im Innern des Resonators an einer vorgegebenen Stelle durch die Fläche.
Die Drehung des Prismas bezüglich der anderen optischen Elemente, d.h. bezüglich des ersten und des zweiten Reflektors usw., bewirkt, dass der durch die zweite Fläche aus dem Prisma in Richtung des zweiten Reflektors austretende Strahl eine Verschiebung der Filterfunktion erfährt, die den ausgewählten Wellenlängenbereich definiert. Der gefilterte Wellenlängenbereich hängt von einem Winkel ab, der durch den vom ersten Reflektor reflektierten und/oder durch das Verstärkungsmedium emittierten einfallenden Strahl und einer Verbindungslinie zwischen dem Prisma und dem zweiten Reflektor definiert ist. Die Verschiebungsrichtung des zweiten Reflektors verläuft vorzugsweise entlang dieser Linie. Der Vorteil ergibt sich daraus, dass sich bei der Drehung als einziger Winkel der Einfallswinkel ändert. Folglich bewirkt die Drehung des Prismas eine Verschiebung der gefilterten Wellenlänge, während eine Verschiebung des zweiten Reflektors eine Abstimmung der Wellenlänge der Resonanzzustände des Resonators bewirkt.
Bei einer bevorzugten vorteilhaften Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist das Prisma mit einem Mittel zum Drehen des Prismas verbunden, während der zweite Reflektor mit einem Mittel zum Verschieben des Spiegels und beide Mittel wiederum mit einem gemeinsamen Träger verbunden sind. Z.B. kann das Mittel zum Drehen des Prismas ein starr mit dem Prisma und über ein Gelenk mit dem Träger verbundener Hebel sein. Das Mittel zum Verschieben des zweiten Reflektors kann zum Beispiel ebenfalls auf dem Träger angebracht sein. Die Verschiebung des Trägers führt dann dazu, dass eine Drehung des Prismas und eine Verschiebung des zweiten Reflektors zeitlich zusammenfallen. Durch geeignete Wahl der Größe des Hebels kann das Prisma so gedreht werden, dass die verschobene Filterfunktion beim Abstimmen des Resonators tatsächlich einem durch den gefilterten Wellenlängenbereich ausgewählten Resonanzzustand folgt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Verwendung eines Prismas als Wellenlängenfilter eine Abstimmung über einen großen Wellenlängenbereich ohne Wechsel der Resonanzzustände möglich. Dies kann zur Kosteneinsparung führen, da zur Steuerung des Prismas und des zweiten Reflektors nur ein Antrieb benötigt wird. Unregelmäßigkeiten während der Bewegung des Trägers wirken sich auf das Prisma und den zweiten Reflektor in gleicher Weise aus, sodass ein verbessertes Abstimmungsergebnis erzielt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele der mit ihr verbundenen Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit dem beiliegenden Zeichnungen klarer und verständlicher. Merkmale, die dem Wesen oder der Funktion nach gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugsnummern bezeichnet.
1 zeigt einen Resonator mit abstimmbarer Wellenlänge gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Abstimmungsposition zum Auswählen eines Resonanzzustandes bei einer kleinen Wellenlänge,
2 zeigt denselben Resonator wie in 1 in einer Position zum Auswählen eines Resonanzzustandes bei einer großen Wellenlänge,
3 zeigt ein Schaubild, das die Strahlablenkung für ein Prisma mit starker Dispersion darstellt,
4 zeigt eine als Ringresonator angeordnete Ausführungsart.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
1 zeigt einen Resonator mit abstimmbarer Wellenlänge mit einer Halbleiterlaserdiode als Verstärkungsmedium 20, einen ersten Reflektor 10 und einen zweiten Reflektor 50 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Strahl 5 einer elektromagnetischen Strahlung wird durch das Verstärkungsmedium 20 erzeugt und emittiert und zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor 10 und 50 hin und her reflektiert. Eine Resonatorlinse 30 kollimiert den durch das Verstärkungsmedium 20 in Richtung des zweiten Reflektors 50 emittierten Strahls 5.
Innerhalb des optischen Weges des Strahls 5 ist ein aus einem photonischen Kristall bestehendes Prisma angeordnet, das den von der Resonatorlinse 30 auf den zweiten Reflektor 50 gerichteten Strahl bricht. Das Material des Prismas 40 weist Brechungsindizes im Bereich von 1,5 bis 1,7 auf und ist somit hochdispergierend.
In der Ebene des zweiten Reflektors 50 entsteht ein Spektrum des vom Prisma 40 emittierten Lichtstrahls, von welchem jedoch nur diejenigen Teile des Strahls 5 in Richtung des Prismas 40 reflektiert werden, die senkrecht auf die Fläche des Spiegels 50 auftreffen. Andere Teile des Strahl mit verschiedenen Wellenlängen werden nicht in Richtung des Prismas 40 reflektiert und verlassen somit den Resonator. In 1 ist eine Wellenlänge ausgewählt, die vergleichsweise klein ist.
Das Prisma 40 kann um eine Drehachse 110 gedreht werden, um den Wellenlängenbereich zu verschieben, der die Orthogonalitätsbedingung bezüglich der Fläche des zweiten Reflektors 50 erfüllt. Es ist klar, dass dasselbe Ergebnis erreicht wird, wenn für den zweiten Reflektor 50 anstelle eines ebenen Spiegels ein Retro-Reflektor oder andere spiegelähnliche Reflektoren verwendet werden. Insbesondere kann der zweite Reflektor mit einer gekrümmten Fläche versehen sein.
Zum Drehen des Prismas 40 um die Drehachse 110 ist ein Hebel 100 mit dem Prisma verbunden. Über ein Gelenk ist der Hebel 100 mit einem Ende eines Piezo-Stellgliedes verbunden. Das Piezo-Stellglied 70 dient zur Feineinstellung des Einfallswinkels des Strahls 5 bezüglich des Prismas 40, das auf die Resonatorlinse 30 ausgerichtet ist.
Das andere ende des Piezo-Stellgliedes 70 ist mit einer beweglichen Trägerstange 80 verbunden, die mit Hilfe eines Gaszylinders 85 verschoben und gesteuert werden kann. Mit der Trägerstange 80 ist eine Platte 90 starr verbunden. Die Platte 90 ist an einem Ende eines zweiten Piezo-Stellgliedes 60 angebracht. Das zweite Piezo-Stellglied 60 weist ein anderes Ende auf, das mit dem zweiten Reflektor 50 verbunden ist, um eine Feineinstellung der Position dieses Spiegel bezüglich der Position der Platte vorzunehmen.
Die Richtung der Bewegung der Trägerstange 80 verläuft parallel zum optischen Weg des Strahls 5 zwischen dem Prisma 40 und dem zweiten Reflektor 50. Wenn die Trägerstange 80 verschoben wird (dargestellt durch die Pfeile in 1 und 2), führt dies zu einer Drehung des Prismas 40 und einer Bewegung des zweiten Reflektors 50. Zum Beispiel wird durch die in 2 dargestellte Verschiebung der Trägerstange 80 die optische Weglänge des Resonators vergrößert, was zu einer größeren Wellenlänge eines betrachteten Resonanzzustandes führt. Gleichzeitig dreht sich das Prisma 40, sodass der Einfallswinkel des Strahls 5 bezüglich der ersten Fläche des Prismas größer wird.
Die Länge der verschiedenen Elemente im Resonator und der Bewegung des Prismas werden so gewählt, dass der Resonanzzustand des Resonators immer nahe der Kurve der Filterfunktion des Prismas 40 liegt. Durch die Verwendung des in 1 dargestellten Resonators wird die Abstimmung im Wellenlängenbereich von 1250 nm bis 1600 nm begünstigt. Bei der vorliegenden Ausführungsart beträgt der Abstand zwischen dem ersten Reflektor 10 und dem Prisma 1 cm. Die optische Weglänge im Innern des Prismas beläuft sich auf 0,5 cm. Der Abstand zwischen dem Prisma und dem zweiten Reflektor ist variabel und beträgt 0,5 cm bei einer Abstimmungswellenlänge von 1250 nm und 1,2 cm bei einer Wellenlänge von 1600 nm. Demzufolge wird durch eine lineare Verschiebung des zweiten Reflektors eine optische Wegdifferenz von 0,7 cm erreicht. Die Länge des Hebels 100 beträgt 1,2 cm. Die durch eine Verschiebung der Trägerstange 80 bewirkte Drehbewegung überstreicht einen Bereich des Einfallswinkels von 28°. Das führt zu einer nahezu stufenlosen Abstimmung, die durch die kontinuierliche Abstimmung mittels Piezo-Stellgliedern möglich wird.
Weitere Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung betreffen ein oder mehrere halbdurchlässige Reflektoren zum Auskoppeln von Teilen des Strahls. Wenn der zweite Reflektor halbdurchlässig ist, kann das Licht einer schwachen Lichtquelle mit spontaner Emission (Low Source Spontaneous Emission, LSSE) ausgekoppelt werden.
3 veranschaulicht das Verhalten von Prismen 40 mit verschiedenen Brechungsindizes n. Das Schaubild zeigt einen Winkel β, den der aus dem Prisma in Richtung des zweiten Reflektors 60 austretende Strahl mit einem einfallenden Strahl 5 bildet, d.h. den Ablenkungswinkel des Prismas als Funktion eines Winkels α, den der einfallende Strahl 5 mit der Normalen der Prismenfläche bildet. Bei dieser Ausführungsart wird der Winkel β konstant gehalten, was sich aus den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsarten ergibt. In 3 ist für den Winkel β ein Wert von 50° durch eine horizontale Linie dargestellt.
Wenn der Einfallswinkel α durch die Drehbewegung gemäß den bevorzugten Ausführungsarten der Erfindung zum Beispiel vergrößert wird, erreicht der Brechungsindex eines Prismas 40 mit der Kombination aus den beiden Winkeln α und β zuerst einen Maximalwert und nimmt dann wieder ab. Ein Brechungsindex n eines Prismas kann nach der Herstellung des Prismas nicht einfach verändert werden, jedoch ist klar, dass der variierende Brechungsindex n als variierende Abstimmungswellenlänge gedeutet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung sind die Reflektoren und das Prisma in einem Ringresonator gemäß 4 angeordnet, wobei der zweite Reflektor den Strahl der elektromagnetischen Strahlung über einen zweiten optischen Weg in Richtung des ersten Reflektors reflektiert, der nicht durch das Prisma 40 zurückübertragen wird. Vielmehr wird ein dritter halbdurchlässiger Reflektor 11 bereitgestellt, damit der Strahl 5 zum ersten Reflektor übertragen werden kann. Der dritte halbdurchlässige Reflektor 11 dient zur weiteren Auskopplung eines Teils des Strahls 5.
Der Resonator mit einem Prisma gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht die Qualität eines Abstimmungsprozesses für Resonatoren und/oder vereinfacht den Aufbau von Resonatoren mit abstimmbarer Wellenlänge, wodurch die Kosten gesenkt werden und die Miniaturisierung begünstigt wird.

Claims

Resonator mit abstimmbarer Wellenlänge, der Folgendes umfasst: einen ersten Reflektor (10) zum Reflektieren eines Strahls (5) einer elektromagnetischen Strahlung auf einen zweiten Reflektor (50), wobei der zweite Reflektor (50) den Strahl (5) zurück auf den ersten Reflektor (10) reflektiert und der erste Reflektor (10) und der zweite Reflektor (50) einen Resonator mit einer optischen Weglänge definieren, ein Verstärkungsmedium (20) zum Erzeugen und Emittieren des Strahls (5) auf den ersten Reflektor (10) und den zweiten Reflektor (50), ein Prisma (40), das innerhalb des optischen Weges angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der zweite Reflektor (50) so angeordnet ist, dass er in Bezug auf andere optische Elemente im Resonator bewegt werden kann, um die optische Weglänge des Resonators zu vergrößern oder zu verkleinern, und das Prisma (40) eine Wellenlänge des Strahls (5) filtert, wobei das Prisma (40) so angeordnet ist, dass es um eine Achse (110) in Bezug auf andere optische Elemente im Resonator gedreht werden kann, um den gefilterten Wellenlängenbereich an die Vergrößerung oder Verkleinerung der optischen Weglänge anzupassen.
Resonator nach Anspruch 1, bei welchem das Verstärkungsmedium (20) eine Laserquelle ist, die den ersten Reflektor (10) als Rückfläche umfasst und eine Vorderfläche aufweist, durch die der Strahl auf den zweiten Reflektor (50) emittiert wird.
Reflektor nach Anspruch 1, bei welchem das Prisma (40) und der zweite Reflektor (50) mechanisch mit einem gemeinsamen Träger gekoppelt sind und der gemeinsame Träger mit Hilfe eines Antriebs bewegt werden kann, um eine gemeinsame Bewegung des ersten Reflektors in Verbindung mit der Drehung des Prismas zu erzeugen.
Resonator nach Anspruch 3 oder einem der obigen Ansprüche, der ferner ein erstes Stellglied zum Ausführen einer Feinabstimmung des Prismas in Bezug auf das Mittel zum Drehen des Prismas umfasst.
Resonator nach Anspruch 3 oder einem der obigen Ansprüche, der ferner ein zweites Stellglied zum Ausführen einer Feinabstimmung des zweiten Reflektors in Bezug auf das Mittel zum Bewegen des zweiten Reflektors umfasst.
Resonator nach Anspruch 2 oder einem der obigen Ansprüche, der ferner eine Resonatorlinse zur Kollimation des von der Laserquelle emittierten Strahls umfasst.
Resonator nach Anspruch 4 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem das erste und/oder das zweite Stellglied ein Piezo-Stellglied ist.
Resonator nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem das Prisma (40) einen Photonischen Kristall umfasst.
Resonator nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem das Prisma (40) eine Oberfläche umfasst, die einen Schnittpunkt mit dem optischen Weg des auftreffenden Strahls aufweist, und bei welchem die Drehachse (110) entlang einer Linie auf der Oberfläche angeordnet ist und die Linie durch den Schnittpunkt auf der Oberfläche verläuft.
Resonator nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei welchem das Prisma (40) so beschaffen ist, dass es einen Teil des auftreffenden Strahls, der die gefilterte Wellenlänge umfasst, auf den zweiten Reflektor (50) richtet.