DE69211013T2

DE69211013T2 - Wellenlängen-stabilisierung

Info

Publication number: DE69211013T2
Application number: DE69211013T
Authority: DE
Inventors: Yellapu Scottsdale Az 85258 Anjan; Clarence E. Scottsdale Az 85254 Laskoskie
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2012-12-05
Also published as: BR9206826A; RU94031565A; AU3413993A; EP0615665A1; CA2119143A1; NO941626L; NO941626D0; US5323409A; FI942613A0; EP0615665B1; CA2119143C; FI942613A; JPH07501659A; DE69211013D1; AU660069B2; WO1993011589A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Stabilisierung der Wellenlänge eines von einer optischen Quelle, wie beispielsweise einem Laser abgestrahlten optischen Signals.
Optische Quellen, insbesondere breitbandige optische Quellen, wie Halbleiterlichtquellen, werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine stabile Wellenlänge des abgestrahlten optischen Signals wichtig ist. Beispielsweise in Ringlaserkreiseln und optischen Faserkreiseln erzeugt die Lichtquelle einen Lichtstrahl, der aufgeteilt wird. Die hieraus hervorgehenden beiden Lichtstrahlen werden den Enden eines optischen Weges zugeführt. Sie breiten sich längs des optischen Weges aus und werden im Strahlenteiler rekombiniert und von einem Detektorsystem empfangen, welches die Phasendifferenz zwischen den beiden gegenläufigen Lichtstrahlen mißt. Befindet sich der Kreisel in Ruhe, so ist die Weglänge des optischen Weges für beide Lichtstrahlen gleich, so daß zwischen Ihnen keine Phasendifferenz festgestellt wird. Dreht sich der Kreisel hingegen, so braucht der eine Strahl zum Zurücklegen des Strahlenweges eine andere Zeit als der andere Strahl. Tatsächlich durchläuft der eine Strahl einen längeren Weg als der andere. Da die Phasen der beiden Strahlen eine Funktion der Zeit sind, welche zum Zurücklegen der entsprechenden Weglängen benötigt wurde, führt jede Zeitdifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen zu einer Phasendifferenz.
Die Drehung des Kreisels beeinflußt die Frequenz (d.h. die Wellenlänge) des optischen Signals nicht. Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie Temperaturänderungen, können jedoch die Wellenlänge des dem Kreisel von der optischen Quelle zugeführten Signals beeinflussen. Da die Phasendifferenz (d.h. die Phasenverschiebung) zwischen den gegenläufigen Lichtstrahlen sowohl von der Wellenlänge als auch von der Drehung abhängt, ist eine konstante Wellenlänge erforderlich, damit die Beziehung zwischen Drehung und Phasendifferenz von Messung zu Messung wiederholbar ist. Es ist folglich wichtig, den Einfluß solcher Umgebungsänderungen auf die Wellenlänge der Strahlungsquelle des optischen Signals auf ein Minimum zu reduzieren, so daß jegliche Phasenänderungen im optischen Ausgangssignal auf die Drehung zurückzuführen sind und nicht auf Änderungen der Umgebungsbedingungen.
EP-A 0 415 407 beschreibt die Frequenzstabilisierung eines Laserstrahls durch Verwendung eines doppelt brechenden Körpers. Für die Zuführ eines Frequenzsteuersignals an eine der Erzeugung eines hinsichtlich Frequenz oder Wellenlänge veränderbaren Laserstrahls dienenden Laserdiode wird eine Frequenzstabilisierungseinrichtung mit einem doppelt brechenden Körper verwendet, welcher die Frequenzänderung in eine Anderung eines Polarisationszustandes des Laserstrahls umwandelt und damit einen in seiner Polarisation geänderten Strahl erzeugt. Ein Polarisationstrennelement trennt diesen Strahl in erste und zweite Strahlkomponenten auf, die orthogonal zueinander polarisiert sind und erste und zweite Strahlintensitäten haben. Optische Detektoren stellen die Strahlintensitäten fest und erzeugen erste und zweite Detektorsignale. Eine Subtrahierschaltung berechnet die Differenz zwischen den Strahlintensitäten. Eine Steuersignalerzeugerschaltung erzeugt das Frequenzsteuersignal entsprechend der genannten Differenz.
Ein aus EP-A 0 279 603 bekanntes Zweistrahl-Interferometer empfängt das optische Ausgangssignal von einer Signalquelle. Es enthält Mittel zum Teilen des optischen Signals in zwei getrennte Strahlen, einen ersten Lichtweg, einen zweiten Lichtweg und eine Vorrichtung zum Kombinieren der Wellen, welche durch die ersten und zweiten Lichtwege gelaufen sind, um hieraus erste und zweite Interferometer-Ausgangssignale abzuleiten. Ein Differenzverstärker ist an die Ausgänge der ersten und zweiten Photodetektoren angeschlossen und erzeugt ein Fehlersignal, welches die Frequenzdifferenz des optischen Ausgangssignals von einer gewünschten Frequenz anzeigt. Ein Tiefpaßfilter ist an einen Ausgang des Differenzverstärkers angeschlossen und ein Spannungs/Stromwandler erzeugt einen elektrischen Strom als Steuersignal für die optische Quelle, so daß diese ein optisches Signal mit einer Frequenz liefert, welche eine Verringerung des Fehlersignals bewirkt.
Die vorliegende Erfindung stabilisiert die Wellenlänge eines von einer optischen Quelle erzeugten optischen Signals. Ein Strahlenteiler oder eine andere ähnliche Vorrichtung teilt das optische Signal der Quelle in erste und zweite Signalleistungen auf. Die Aufteilung zwischen den ersten und zweiten optischen Signalleistungen hängt von der Wellenlänge der optischen Signalquelle ab. Ein Regler spricht auf die ersten und zweiten optischen Signalleistungen an, um die Wellenlänge des optischen Signals der Quelle zu steuern. Die Anode einer Photodiode und die Kathode einer anderen Photodiode können an einen gemeinsamen Schaltungspunkt angeschlossen sein. Da die zwischen dem Schaltungspunkt und den Dioden fließenden Ströme entgegengesetzte Polarität haben, gibt der Ausgangsstrom des Schaltungspunkts die Stromdifferenz der beiden Photodioden wieder und damit die Differenz zwischen der ersten optischen Signalleistung und der zweiten optischen Signalleistung. Der Ausgangsstrom des Schaltungspunkts wird erforderlichenfalls verstärkt und zur Steuerung des der optischen Quelle zugeführten Stroms benutzt, um so die Wellenlänge des optischen Signais der Quelle zu steuern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wellenlängenstabilisierung eines optischen Signals ist in Anspruch 1 gekennzeichnet.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die ersten und zweiten Detektoren zur Steuerung eines Temperaturreglers benutzt, der seinerseits die Temperatur der optischen Quelle steuert. Da die Wellenlänge der optischen Quelle temperaturabhängig ist, beeinflußt die Temperatursteuerung der optischen Quelle die Wellenlänge des erzeugten optischen Signals.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile werden aus der detaillierten Betrachtung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich. Darin zeigt:
Figur 1 ein Steuersystem zur Wellenlängenstabilisierung;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Steuersystems zur Wellenlängenstabilisierung gemäß der Erfindung;
Figur 3 Einzelheiten des Stromtreibers in den Figuren 1 und 2; sowie
Figur 4 ein Steuersystem zur Wellenlängenstabilisierung, welches einen Temperaturregler zur Steuerung der Wellenlänge des von der Quelle erzeugten optischen Signals verwendet.
Das Stabilisierungssystem 10 in Figur 1 besteht aus einer optischen Quelle, beispielsweise einem Laser 11, zur Abstrahlung eines optischen Signals 12, beispielsweise eines Lichtstrahls, mit der Leistung P(λ). Das optische Signal 12 tritt in den Eingang 13 eines optischen Bauteils 14 ein, welches ein Wellenlängenteilungs-Multiplexer WDM, ein Strahlenteiler, ein Etalon, ein Gitter oder dergleichen sein kann. Der optische Baustein 14 teilt das durch den Eingang 13 eintretende optische Quellensignal 12 in ein erstes optisches Signal (oder Lichtstrahl) 15, welches aus dem Auslaß 16 heraustritt, sowie ein zweites optisches Signal (oder Lichtstrahl) 17, welches den Auslaß 18 verläßt. Die in jedem der optischen Signale 15 und 16 enthaltene Leistung wird durch die Durchläßigkeit T&sub1;(λ) zwischen dem Eingang 13 und dem Ausgang 16 bzw. die Durchläßigkeit T&sub2;(λ) zwischen dem Eingang 13 und dem Ausgang 18 bestimmt. Im Idealfall sind T&sub1;(λ) und T&sub2;(λ) komplementär, und es tritt kein Ubertragungsverlust auf Dann gilt T&sub1;(λ) + T&sub2;(λ) = 1. Die Durchläßigkeit T&sub1;(λ) und T&sub2;(λ) solcher Vorrichtungen hängt, wie angedeutet, von der Wellenlänge λ ab. Folglich ergeben sich wellenlängenabhängige Ausgangsleistungen der optischen Signale 15 und 16 gemäß folgender Gleichungen:
P&sub1;(λ) = Ps(λ) x T&sub1;(λ) (1)
P&sub2;(λ = Ps(λ x T&sub2; (λ) (2)
Dabei ist Ps(λ) die Leistung des von der optischen Quelle 11 abgegebenen optischen Quellensignals 12, P&sub1;(λ) ist die Leistung des aus dem Ausgang 16 des optischen Bausteins 14 austretenden ersten optischen Signals, P&sub2;(λ) ist die Leistung des aus dem Ausgang 18 des optischen Bausteins 14 austretenden zweiten optischen Signals 17, T&sub1;(λ) gibt die Durchläßigkeit der optischen Komponente 14 zwischen den Enden 13 und 16 wieder, T&sub2;(λ) ist die Durchläßigkeit des optischen Bausteins 14 zwischen den Enden 13 und 15, und das Symbol (x) bedeutet eine Multiplikation.
Die Gesamtleistung des aus dem Ausgang 16 austretenden ersten optischen Signals 15 ergibt sich durch folgende Gleichung:
P&sub1; = λP&sub1;(λ)dλ (3)
Die Gesamtleistung des aus dem Ausgang 18 austretenden zweiten optischen Signals ist durch folgende Gleichung gegeben:
P&sub2; = λP&sub2;(λ)dλ (4)
Im Idealfall tritt das gesamte Licht, welches in den Baustein 14 eintritt, an seinen Auslässen 16 und 18 wieder aus. Die Durchläßigkeit der Ausgänge ist eine Funktion der Wellenlänge des optischen Quellensignals 12. In Abhängigkeit von der Wellenlänge des optischen Quellensignals wird ein größerer oder kleinerer Teil des optischen Quellensignals 12 durch den Ausgang 16 und nicht durch den Ausgang 18 austreten. Andert sich die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12, so verschiebt sich die Aufteilung zwischen P&sub1; und P&sub2;.
Die Leistung im ersten optischen Signal 15 wird von einem Detektor 21 in Form einer Photodiode gemessen. In ähnlicher Weise wird die Leistung im zweiten optischen Signal 17 durch einen ebenfalls als Photodiode ausgebildeten Detektor 22 ermittelt. Die Anode der Photodiode 21 ist an den positiven Eingang des Differenzverstärkers 23 und die Anode der Photodiode 22 an dessen negativen Eingang angeschlossen. Die Photodiode 21 erzeugt einen Ausgangsstrom, der vom Differentialverstärker 23 nach folgender Gleichung in eine Spannung umgeformt wird:
V&sub1; = K&sub1; * P&sub1; (5)
Dabei ist V&sub1; die von der Photodiode 21 erzeugte Spannung und K&sub1; ist eine Konstante, welche den Wirkungsgrad des Photodetektors und die elektrische Verstärkung einschließt. In ähnlicher Weise erzeugt die Photodiode 22 einen Ausgangsstrom, der vom Differenzverstärker 23 gemäß nachfolgender Gleichung in eine Spannung umgewandelt wird:
V&sub2; = K&sub2; * P&sub2; (6)
Dabei ist V&sub2; die von der Photodiode 22 erzeugte Spannung und K&sub2; ist eine Konstante, welche den Wirkungsgrad des Photodetektors und die elektrische Verstärkung urnfaßt. Der Differentialverstärker 23 liefert ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz zwischen V&sub1; und V&sub2;. Dieses Ausgangssignal gelangt zu einem Spannungs/Strom-Umsetzer 24, der die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 23 in ein Stromsignal umwandelt. Dieses Stromsignal wird dem Stromtreiber 25 zugeführt. Er spricht auf den Strom des Spannungs/Strom-Umsetzers 24 an und steuert den der optischen Quelle 11 zugeführten Strom, um hierdurch die Wellenlänge der optischen Signalquelle 12 zu regeln.
Die Photodioden 21 und 22 können so ausgewählt werden, daß die Konstanten K&sub1; und K&sub2; gleich sind. In diesem Falle liefert der Stromtreiber 25 anfänglich einen solchen Strom an die optische Quelle 11, daß die Leistung des optischen Quellensignals 12 durch den optischen Baustein 14 zu gleichen Teilen auf die Leistung des ersten optischen Signals und die Leistung des zweiten optischen Signals 17 aufgeteilt wird. Bei einer solchen gleichen Aufteilung der Leistung des optischen Quellensignals 12 auf die Leistungen des ersten und des zweiten optischen Signals 15 bzw. 16 liefern die Photodioden 21 und 22 gleiche Spannungen an den negativen und positiven Eingang des Differentialverstärkers 23. Sein Ausgangssignal ist somit Null, und es erfolgt keine Veränderung am Stromtreiber 25. Unterliegt die optische Quelle 11 andererseits irgendwelchen Anderungen entweder des zugeführten Stroms oder der Umgebungstemperatur, so ändert sich die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12. Diese Weflenlängenänderung des optischen Signals 12 ergibt eine ungleiche Aufteilung der Leistung zwischen dem ersten optischen Signal 15 und dem zweiten optischen Signal 17, wodurch ungleiche Ströme von den Photodioden 21 und 22 den Eingängen des Differenzverstärkers 23 zugeführt werden. Folglich liefert dieser eine von Null verschiedene Ausgangsspannung an den Spannungs/Strom-Umsetzer 24, der diese Spannung in ein Stromausgangssignal umsetzt. Der Stromtreiber 25 spricht hierauf an und verändert den Einspeisestrom für die optische Quelle 11 derart, daß die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 in Richtung auf einen Wert verändert wird, welcher ein Ausgangssignal Null des Differenzverstärkers 23 wieder herstellt.
Sind statt dessen die Photodioden 21 und 22 nicht aneinander angepaßt, d.h. sind die Konstanten K&sub1; und K&sub2; ungleich, so kann anfänglich ein Speisestrom in die optische Quelle 11 fließen, der so bemessen ist, daß obwohl die Leistung des optischen Quellensignals 12 ungleich auf das erste optische Signal 15 und das zweite optische Signal 17 aufgeteilt ist, die Photodioden 21 und 22 gleiche Spannungen an den Differenzverstärker 23 liefern. Solange sich die Wellenlänge des anfänglichen optischen Quellensignals 12 nicht ändert, erfolgt keine Änderung des Speisestroms für die optische Quelle 11. Ändert sich jedoch die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 aus irgendwelchen Gründen, so weicht das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 23 von Null ab, wodurch ein Ausgangsstrom des Spannungs/Strom-Umsetzers 24 entsteht. Dieser Ausgangsstrom wird vom Stromtreiber 25 zur Änderung des Speisestroms für die optische Quelle 11 benutzt, um deren Wellenlänge auf ihren Anfangswert zurückzustellen
Anstelle einer Auswahl des anfänglichen Speisestroms (und damit einer anfänglichen Wellenlänge des optischen Quellensignals) zur Erzeugung einer Spannung 0 am Ausgang des Differenzverstärkers 23, kann der Spannungslstrom-Umsetzer 24 anfänglich derart eingestellt sein, daß er ein Signal Null am Stromtreiber 25 bei einer gewünschten Wellenlänge des optischen Signals 12 liefert, obwohl der Differenzverstärker 23 eine von Null verschiedene Ausgangsspannung abgibt. Ändert sich die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 aus beliebigen Gründen, so weicht das Ausgangssignal des Spannungs/Strom-Umsetzers 24 von Null ab, wodurch sich eine Korrektur der Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 solange einstellt, bis die Wellenlänge wieder auf dem gewünschten Wert liegt.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, welche keinen Differentialverstärker braucht. In diesem Fall sind die Anode der Photodiode 21 sowie die Kathode der Photodiode 22 an den gemeinsamen Schaltungspunkt 27 angeschlossen. Mit dieser Anordnung hat der von der Diode 21 zum Schaltungspunkt 27 fließende Strom die eine Polarität, während der von der Photodiode 22 ebenfalls zum Schaltungspunkt 27 fließende Strom die entgegengesetzte Polarität hat. Der Strom auf der Leitung 28 entspricht also der Differenz dieser Ströme und folglich der Differenz in der Leistung zwischen den optischen Signalen 15 und 17. Dieser Differenzstrom kann, falls erwünscht, von einem Verstärker 26 verstärkt und die sich ergebende Spannung dem Spannungs/Strom-Umsetzer 24 zugeführt werden.
Wie Figur 3 zeigt, kann der Stromtreiber 25 einen Summierpunkt 25' haben, der am Eingang 29 einen Strom empfängt, welcher dem anfänglichen Speisestrom entspricht, wie er zur Erzeugung der gewünschten Wellenlänge des optischen Signals 12 ausgewählt wurde. Der Ausgang des Spannungs/Strom-Umsetzers 24 ist an den Eingang 13 des Summierpunkts 25' angeschlossen. Folglich wirkt jedes dem Eingang 30 zugeführte Signal als Fehlersignal und zeigt an, daß die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 vom Sollwert abgewichen ist. In diesem Fall verstellt das Fehlersignal am Eingang 30 den Speisestrom für die optische Quelle 11 auf der Leitung 31 derart, daß die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 auf ihren gewünschten Wert zurückgebracht wird.
Statt dessen kann die gewünschte Wellenlänge so ausgewählt sein, daß sie am Eingang 30 ein von Null abweichendes Fehlersignal erzeugt. Wenn dieser von Null abweichende Wert mit dem Strom am Eingang 29 kombiniert wird, hat das optische Signal 12 die gewünschte Wellenlänge. Jede Wellenlängenänderung des optischen Signals 12 ändert das Fehlersignal gegenüber seinem vorgegebenen, von Null abweichenden Wert und ändert folglich auch den Strom am Ausgang 31 bis das optische Signal 12 seine gewünschte Wellenlänge wieder erreicht hat.
In Figur 4 wird gezeigt wie anstelle einer Steuerung des Speisestroms für die optische Quelle 11 die Temperatur der optischen Quelle 11 geregelt werden kann, um hierdurch die Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 zu steuern. In diesem Fall sind der Stromkonverter 14 und der Stromtreiber 25 nach den Figuren 1 und 2 durch einen Temperaturregler 40 ersetzt. Dieser empfängt das Ausgangssignal von der Differenzschaltung 41, um die Temperatur der Quelle 11 zwecks Steuerung der Wellenlänge des optischen Quellensignals 12 einzustellen. Die Differenzschaltung 41 stellt den Schaltungspunkt 27 in Figur 2 dar und liefert ein Ausgangssignal an den Temperaturregler 40, welches auf der Leistungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Signal 15 bzw. 17 beruht.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines hinsichtlich seiner Wellenlänge stabilisierten optischen Signals mit:

a) einer Quelle (11) zum Erzeugen eines optischen Quellensignals (12) mit einer optischen Quellensignalleistung sowie einer Wellenlänge;

b) einem Strahlenteiler (14), welcher das optische Quellensignal (12) empfängt und in ein erstes optisches Signal (15) mit einer ersten optischen Signalleistung sowie ein zweites optisches Signal (17) mit einer zweiten optischen Signalleistung aufteilt, so daß die optische Quellensignalleistung vom Strahlenteiler in eine erste optische Signalleistung und eine zweite optische Signalleistung aufgeteilt wird und die Aufteilung zwischen erster und zweiter optischer Signalleistung von der Wellenlänge des optischen Quellensignals abhängt;

c) einer ersten Lichtdetektordiode (21) mit Anode und Kathode für den Empfang des ersten optischen Signals (15) und zur Lieferung eines die erste optische Signalleistung anzeigenden ersten Detektorsignals;

d) einer zweiten Lichtdetektordiode (22) mit Anode und Kathode für den Empfang des zweiten optischen Signals (17) und zur Lieferung eines die zweite optische Signalleistung anzeigenden zweiten Detektorsignals; gekennzeichnet durch

e) eine Steuereinrichtung einschließlich Verbindungsmitteln (27) zum Anschluß der Anode der ersten Lichtdetektordiode (21) an die Kathode der zweiten Lichtdetektordiode (22), so daß das erste und zweite Detektorsignal voneinander subtrahiert werden, wobei die Steuereinrichtung ein die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Detektorsignal darstellendes Ausgangssignal liefert, das der Quelle (11) zugeführt wird, um die Wellenlänge des optischen Quellensignals in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Detektorsignalen zu steuern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ferner eine an die Verbindungsmittel (27) sowie die Quelle (11) angeschlossene Stromsteuerung (25) aufweist, welche auf das der Differenz zwischen erstem und zweitem Detektorsignal entsprechende Ausgangssignal anspricht und zur Steuerung der Wellenlänge des optischen Quellensignals den der Quelle (11) zugeführten Strom steuert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal ein Spannungssignal ist und die Stromsteuerung einen Spannungs/Strom-Umsetzer (24) enthält, welcher das Spannungssignal in ein Stromsignal umwandelt, und wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung des der Quelle (11) zugeführten Stroms auf das Stromsignal anspricht, um die Wellenlänge des optischen Quellensignals zu steuern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuerung (25) einen ersten Eingang (29) für ein Stromeingangssignal, einen zweiten Eingang (30) für ein vom Ausgangssignal abhängiges Fehlersignal sowie einen Ausgang (31) aufweist, der ein vom Stromsignal und vom Fehlersignal abhängiges Quellensteuersignal liefert, welches zur Steuerung der Wellenlänge des optischen Quellensignals als Funktion des Quellensteuersignals der Quelle (11) zugeführt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal ein Spannungssignal ist und die Stromsteuerung einen an die Verbindungsmittel (27) sowie den zweiten Eingang (30) der Stromsteuerung (25) angeschlossenen Spannungs/Strom-Umsetzer (24) aufweist, um das Spannungssignal in einen Strom umzuwandeln, der als Fehlereingang der Stromsteuerung zugeführt wird.