WO2023198864A1 - Laseranordnung und verfahren zum betreiben einer laseranordnung - Google Patents

Laseranordnung und verfahren zum betreiben einer laseranordnung Download PDF

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WO2023198864A1
WO2023198864A1 PCT/EP2023/059735 EP2023059735W WO2023198864A1 WO 2023198864 A1 WO2023198864 A1 WO 2023198864A1 EP 2023059735 W EP2023059735 W EP 2023059735W WO 2023198864 A1 WO2023198864 A1 WO 2023198864A1
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WO
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modulation
resonator
laser
laser light
useful
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PCT/EP2023/059735
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English (en)
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Inventor
Georg ROSSBACH
Christoph Schmid
Christian SCHOERNER
Original Assignee
Ams-Osram International Gmbh
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Publication date
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3511—Self-focusing or self-trapping of light; Light-induced birefringence; Induced optical Kerr-effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/15—Function characteristic involving resonance effects, e.g. resonantly enhanced interaction

Definitions

  • the present invention takes priority of the first German application DE 10 2022 109 218. 6 of 14 April 2022, the disclosure content of which is hereby incorporated in full by reference.
  • the present invention relates to a laser arrangement and a method for operating one.
  • Edge-emitting lasers are based on laser diodes and are now available for a wide frequency spectrum. Their high output power and implementation as a mass-produced product have made them interesting for a variety of applications.
  • Such edge-emitting lasers are characterized by a larger line width in the range of a few nanometers, with the output frequency also varying depending on the current and also the temperature. On the one hand, this opens up a tuning option, but on the other hand, the output power of the laser is influenced and increased circuitry is required to compensate for or suppress undesirable effects.
  • the latter also have the option of actively controlling the resonator frequency of the microresonator, e.g. B. for example, a mo- to achieve mode locking, increased temperature stability or frequency modulation.
  • thermal heating of the resonator structure is slow and lies in the range of a few kHz. This is too slow for applications, especially in the LIDAR area, where very frequency-stable modes are required that must be able to be modulated quickly.
  • laser arrangements which, on the one hand, are frequency-stable and yet can be modulated with high switching frequencies in the GHz range.
  • the inventors propose to generate a refractive index modulation in a resonator using the optical Kerr effect and in this way to modulate a frequency-stabilized useful laser light.
  • a second light source in the form of a laser is used, the light of which causes active modulation of the stabilized useful signal in the resonator by exploiting the optical nonlinearity.
  • the optical properties of the resonator can be suitably controlled by a modulation laser light with a different wavelength than the useful laser light, making use of the optical Kerr effect.
  • planar waveguide structures of the proposed type can be created with additional functionalities such as beam splitting or combination, optical switches, etc. combine .
  • a laser arrangement comprises a first laser device, and in particular an edge-emitting laser device, which is designed to emit a useful laser light.
  • the useful laser light has a first main wavelength or, to put it simply, a first wavelength.
  • “light of one wavelength” is not to be understood as a (mathematically) single wavelength. Rather, the light shows a certain, albeit very small, line spectrum with a certain width in the range of a few nm or even less. This is why one speaks in this context from the fact that the light of one wavelength is broadened and its maximum is at this wavelength.
  • the proposed laser arrangement further comprises at least one second adjustable laser device, which is designed to emit at least one intensity-adjustable modulation laser light with a different wavelength than the useful laser light.
  • a particularly planar waveguide structure with a signal input, a modulation input and an output is provided.
  • the planar waveguide structure is in the form of a PIC (photonic integrated circuit) or a PLC (planar light circuit).
  • the first laser device, which generates the useful laser light during operation, is connected to the signal input, the second laser device is connected to the modulation input.
  • the planar waveguide structure also has a resonator, the material of which includes an adjustable refractive index that is dependent on an intensity of the modulation laser light.
  • a resonator of the planar waveguide structure is, on the one hand, designed in such a way that it interacts with the useful laser light, for example in order to define a predefined mode.
  • the resonator is designed to change a refractive index depending on an intensity of the modulation laser light and thus achieve a shift in the predefined mode frequency. This enables frequency modulation of the mode depending on the intensity of the modulation laser light.
  • planar waveguide structure can be specifically tailored to the first laser device, for example in order to achieve one to achieve very high frequency and temperature stability.
  • the wavelength of the modulation laser light which is different from a wavelength of the useful laser light, interference is reduced or completely avoided.
  • Further suitable measures in the planar waveguide structure also suppress undesired coupling of the modulation laser light at the output, so that essentially a frequency-modulable useful laser light is tapped there.
  • the modulation laser light has a longer wavelength than a wavelength of the useful laser light.
  • the material of the resonator is transparent to the modulation laser light.
  • the modulation laser light can also have a shorter wavelength, but with a longer wavelength the material is typically more transparent than with a shorter one, which results in longer photon confinement times in the resonator and greater intensities.
  • the resonator can be designed, for example, as a ring resonator.
  • the resonator may have a planar microcavity, in particular between 2 mirrors. It is also possible to realize the resonator using a material-specific cavity within the planar waveguide structure. In some aspects this can be done through doping.
  • the resonator is formed by a photonic structure. In yet other aspects, the resonator can be designed with or as a so-called “whispering gallery mode resonator”.
  • the planar waveguide structure includes an in-and-out coupling structure connected to the signal input and output and with which optical coupling to the resonator is achieved.
  • the resonator is not direct, i.e. H . switched via a waveguide between the signal input and output, but there is simply an indirect optical coupling.
  • the actual resonator structure can be within the planar waveguide structure be spaced from a waveguide or other optically active structure that connects the signal input to the output.
  • the planar waveguide structure thus comprises a waveguide connecting the signal input to the signal output, from which the resonator is spaced.
  • the modulation input of the planar waveguide structure is connected to the connecting waveguide.
  • the modulation laser light is introduced into the waveguide and from there couples into the resonator.
  • This can be a filter or a mirror or a DBR structure.
  • a coupling coefficient of modulation laser light from the connecting waveguide into the resonator is greater than a coupling coefficient of the useful laser light. This can generally also be the case with the statements mentioned below. This ensures that the modulation laser light is used in the best possible way to change the refractive index. The better the coupling coefficient is in this regard, the lower the power of the second laser source can be in order to produce the desired effect.
  • the planar waveguide structure comprises a modulation waveguide which is coupled to the resonator for coupling in the modulation laser light.
  • the optical paths for the useful laser light and the modulation laser light are also spatially separated from one another, so that the modulation waveguide does not have a direct connection via a waveguide to the signal input or output. This reduces or prevents direct interaction between the modulation laser light and the useful laser light. interference or beating is avoided.
  • the modulation input at the opposite end of the modulation waveguide can have a mirror or an absorber.
  • the laser arrangement according to the proposed principle should fundamentally be for the useful laser light as well as for the modulation laser light be transparent.
  • the resonator within the planar waveguide structure can also have a different material than the rest of the waveguide structure.
  • the generation of the optical Kerr effect is also material-dependent. Due to the optical pumping with the modulation laser light, a high Q factor would generally be desirable, as this increases the lifespan of the photons of the pump laser light and thus leads to a greater change in the refractive index.
  • Suitable materials for such a resonator would be, for example, Si, SiNx, AlN, Si, Ta2Ü5, LiNbOs, HfÜ2, AlGaAs or various silica, whereby the Kerr coefficient is even smaller here.
  • the laser arrangement has a first laser device, in particular an edge-emitting laser device, for generating useful laser light.
  • a first laser device in particular an edge-emitting laser device, for generating useful laser light.
  • it includes a particularly planar waveguide structure with a signal input, an output and a resonator whose refractive index is adjustable.
  • a useful laser light is now generated and the useful laser light is coupled into the planar waveguide structure.
  • the existing resonator selectively amplifies at least one mode of the useful laser light and in this way causes optical feedback, which is also referred to as “self-injection mode locking”.
  • a modulation laser light is irradiated into a material of the resonator and thus a refractive index of a material of the resonator is changed depending on an intensity of the irradiated modulation laser light.
  • the refractive index can be shifted to larger values if the “zero line” does not contain any modulation laser light (i.e. the intensity of the modulation laser light is 0). However, the refractive index can also be shifted to smaller values if the modulation laser light has a first intensity value is shifted towards smaller values. In this way, the frequency of the useful laser light can be shifted to both larger and smaller values become . In the method presented, the change in the refractive index occurs through the intensity-dependent optical Kerr effect.
  • a wavelength of the modulating laser light is greater than a wavelength of the useful laser light.
  • Figure 1 shows a laser arrangement with an edge-emitting laser diode and a PIC
  • Figure 2 shows a laser arrangement with some aspects according to the proposed principle
  • Figure 3 shows a further embodiment of a laser arrangement with some aspects according to the proposed principle
  • Figure 4 is a modified embodiment of the laser arrangement according to Figure 3;
  • Figure 5 shows an embodiment of a method for operating a laser arrangement with some aspects according to the proposed principle.
  • Figure 1 shows the principle of a microresonator, which is particularly suitable for frequency stabilization of a laser diode.
  • the arrangement includes a laser diode 10, which is optically connected to a resonator circuit 2'.
  • the resonator circuit 2 ' comprises a waveguide 11, whose input is connected to the laser diode 10, and an output 12'.
  • a resonator 3 in the form of a ring resonator is arranged in the arrangement 2 '.
  • a laser diode of the type mentioned at the beginning in particular in the form of an edge-emitting laser, generates the spectrum displayed above the laser diode 10.
  • the spectrum of the laser diode 10 has a line width of a few nanometers and contains a large number of modes. It arises from the production of an edge-emitting laser as well as from the broadening due to instabilities caused, for example, by temperature or even a current variation. This reduces the coherence length of such edge-emitting laser diodes.
  • the temperature dependence also results in a shift in the wavelength in the range from 0.2 to 0.3 nm/K.
  • DFB or other lasers can also be used.
  • the output laser light NL also referred to as useful light
  • the useful light NL is coupled into a waveguide 11 of the resonator arrangement 2'.
  • the waveguide 11 is optically coupled to a ring resonator 3.
  • the ring resonator 3 is different in terms of its size, i.e. H . is designed in terms of its radius to select and amplify some modes from the broad spectrum of the edge-emitting laser 10. This results in a spectrum in which a large number of individual modes with different wavelengths are greatly exaggerated.
  • the optical coupling D between the ring resonator 3 and the waveguide 11 generally results in optical feedback from the resonator back into the laser diode cavity.
  • One of these is the self-adjusting and self-induced mode stabilization of the emitted laser light (self-in ection), described below, so that the arrangement 2 'selects' one of the possible modes and this is emitted at the output 12 '.
  • Alternative feedback options are given, for example, by the Vernier effect.
  • the self-induced stabilization can be adjusted to a certain extent by the coupling D between the ring resonator and the waveguide as well as by the geometric dimensions of the ring resonator. Due to the self-induced stabilization, the spectral bandwidth of the now selected mode is significantly reduced and is in the range of just a few megahertz or Depending on the type of laser used, this can also be included. At the same time, the coherence length of the emitted laser light is increased and the wavelength is stabilized against temperature changes. In this way, edge-emitting lasers can also be implemented for applications that require a high coherence length and a particularly small line width required are . By using such a microresonator, the implementation of such an arrangement is also very small and space-saving.
  • the microresonator itself must be modulated for frequency modulation, and more precisely the refractive index of the material of the resonator. This can be done, for example, by heating or Achieve cooling of the resonator arrangement 2 ', since the refractive index is changed accordingly by such a parameter.
  • thermal modulation is very slow and limited to modulation frequencies of a few 10 kHz.
  • Electro-optical modulation for example by applying a constant electric field, is also conceivable, but high voltages are required for this. This is particularly difficult for space-saving and possibly special applications in the low-current or low-voltage range. There is also no need for control to generate such voltages.
  • the inventors propose a purely optical modulation of the refractive index within the ring resonator using the optical Kerr effect.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the proposed principle.
  • a second laser diode 20 is also provided for generating a modulation light ML.
  • the modulation light ML is generated by a second laser arrangement 20 and coupled into the first waveguide 11 via a second waveguide 21. From there it reaches the resonator 3 via the optical coupling. This is indicated by the arrow ML. Due to the optical Kerr effect, which will be explained in detail below, the refractive index of the material of the ring resonator 3 is changed depending on the intensity.
  • both the waveguide 11 and the material of the ring resonator 3 are essentially transparent for the useful light NL and also for the modulation light ML.
  • the optical coupling D between the ring resonator 3 and the waveguide 11 is designed in such a way that, in particular, useful light from the ring resonator 3 interacts with the useful light from the waveguide 11 to form a self-induced and self-adjusted stabilization and can be tapped at the output 12.
  • the resonator 3 is also designed in such a way that the modulation light ML, on the other hand, couples into the ring resonator, but does not couple it out again or only to a lesser extent.
  • the coupling between the resonator and the waveguide is designed in such a way that the intensity of the modulation light in the resonator is maximized.
  • the optical Kerr effect is used to change the refractive index.
  • p £o ( WE + x (2> EE + x & EEE + ⁇ ) ( 1 )
  • the second term in the form shown in formula (1) includes the Pockel effect, which is only present in materials where the Center of inversion symmetry is missing. In such materials, the Pockel effect can be used to vary the refractive index with a constant field. Light, on the other hand, does not lead to a usable change in the refractive index via the Pockel effect, since the direction of the field strength is crucial and cancels out over time.
  • the third term describes the nonlinear Kerr effect. This is independent of symmetry and is therefore present in all materials, but has a significantly smaller amplitude than the Pockel effect.
  • the optical Kerr effect is generated by the square of the E-field and therefore the intensity. This means that when fields change over time, it can lead to a net effect, including an intensity-dependent refractive index.
  • the Kerr effect depends on the intensity of the light emitted.
  • optical or The AC Kerr effect produces a modulation of the intensity of the scattered light and therefore also a modulation of the refractive index, without the need for an additional external field.
  • formula (2) applies:
  • n g describes the group index of the waveguide mode in the resonator.
  • H . at approx. 800 nm -900 nm thus at a few 100 GHz. Accordingly, a frequency modulation of approx. is sufficient. 1GHz d. H . So essentially 0.25% of the frequency of the free spectral range is already sufficient for many applications.
  • the change in refractive index can now be determined from the resonance condition of the ring resonator at a given order m.
  • m * 2n 2nR * kon eff (5)
  • k 0 the wave number
  • n eff the efficient refractive index, which in the case of a variation of the effective refractive index approximately corresponds to the required refractive index jump An can be set.
  • Wavelength change AA in the range of 0.0027 nm and the order m 700 a refractive index change in the range of 10 ⁇ 6 , in particular 6 * 10 - 6 .
  • the change in the refractive index must now be generated by the intensity of the additional modulation light. It is advisable to use a material as a ring resonator, which on the one hand is transparent for the modulation light, but on the other hand also has a relatively long photon lifetime within the resonator. This ensures that the photons stay in the resonator for a sufficiently long time before they disappear from the resonator, for example due to absorption, scattering or other interactions. For this purpose, a particularly high quality of the resonator is useful.
  • the material parameters Q, L and of course f show a frequency dependence. At lower frequencies f and constant parameters Q and L, it also results, among other things, that a lower frequency, i.e. H . So light with lower energy leads to a higher factor a. In the material, longer confinement times and thus larger parameters Q with larger A typically result from lower absorption and scattering losses. All of this generally leads to larger factors a at longer wavelengths. With a Q factor in the range of 0. 5-10 6 and a size of the ring resonator with R of approximately 50 pm results in an amplification factor a of approximately 4500.
  • the parameter n 2 is a material-dependent quantity and describes the change in refractive index over the square of the distance depending on the irradiated power.
  • the refractive index change An is therefore sufficient for the desired shift and frequency modulation of 1 GHz with a user light of 900 nm wavelength.
  • the optical Kerr effect can be used to produce a change in refraction, this change being achieved by an additional modulation light of a few milliwatts of power.
  • a change in the intensity of the modulation light thus makes it possible to effect a frequency modulation of the irradiated useful laser light.
  • This frequency change can be in the range from a few 100 MHz to a few GHz, whereby this depends in particular on the material properties of the resonator used, its quality and the resulting amplification factor.
  • On the coherence length or The temperature dependence of the laser 20 for the modulation light is also less important, since this can be readjusted using circuitry measures. a shift in the frequency of the modulation light due to temperature influences is not of relevant importance for the solution according to the invention. It is sufficient to be able to quickly regulate the intensity of the modulation laser 20 in order to achieve the desired modulation frequency.
  • Figures 3 and 4 now show further embodiments and alternatives in which various aspects of the coupling of the modulation light or The focus is on coupling the useful light from the resonator. While in Figure 2 the modulation light and the useful light propagate essentially within the same waveguide 11, in the embodiments of Figures 3 and 4 different waveguides 11 and 21 are used for the useful light NL and . the modulation light ML is provided.
  • the resonator arrangement 2 comprises a first waveguide 11, which is connected to the ring resonator 3 via a first coupling D.
  • the waveguide 11 is connected on the input side to an edge-emitting laser 10.
  • a modulated useful signal NL can be tapped on the output side.
  • a second waveguide 21 is connected to the ring resonator 3 via a second coupling D ' at a spatial distance from the first waveguide 11 .
  • the second waveguide 21 is connected on the input side to the modulation laser 20 for supplying the modulation light ML.
  • the coupling D' between the ring resonator 3 and the second waveguide 21 is designed such that the modulation light ML is coupled to a large extent into the ring resonator and the intensity of the modulation laser light in the ring resonator is thus maximized.
  • the useful light NL should only enter or enter the ring resonator via the coupling D. be decoupled.
  • the ring resonator is separated from the two waveguides 11 and . 21 are spaced differently, so that coupling takes place via an optical coupling.
  • the waveguides 11 or . 21 also include a corresponding structure, for example optics, which improves coupling.
  • the modulation light ML and the useful light themselves have different frequencies in order to improve the coupling or to prevent unwanted coupling out of the resonator.
  • FIG. 4 shows a slight modification of FIG. 3, in which a mirror is arranged at the output end of the waveguide 21 for the modulation light.
  • modulation light that is not coupled into the resonator 3 is reflected back and can thus couple again into the ring resonator through the coupling D'. This increases the efficiency of the modulation light and makes it possible to work with lower overall intensities.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a method for operating a laser arrangement, in which the laser arrangement has a first laser device, in particular in the form of an edge-emitting laser, for generating useful laser light.
  • a particularly planar waveguide structure is connected to the first laser device, which, in addition to a waveguide, also includes a resonator that is optically coupled thereto.
  • the resonator is designed in such a way that its refractive index can be adjusted depending on the intensity using the optical sweeping effect.
  • such a laser arrangement is provided and prepared in step S1 by electrically connecting both a first laser device and a second laser device and preparing them for operation. While the first laser device generates the useful laser light, the second laser device serves to generate a modulation laser light. During operation, the first laser device generates a useful laser light that is essentially constant in its intensity. On the other hand, the second laser device in step S1 is designed such that it generates a modulation laser light with variable intensity.
  • the modulation frequency or The type of amplitude modulation taking into account the optical Kerr effect, requires a corresponding change in the refractive index within the resonator and thus a resulting frequency modulation of the useful laser light.
  • step S2 the useful laser light is generated and coupled into the planar waveguide structure. At least one mode of the useful laser light is selectively amplified by the resonator and can be tapped at the output as a single-mode laser.
  • step S3 a modulation laser light is also irradiated into the material of the resonator. By changing the intensity of the emitted modulation laser light, the refractive index of the material of the resonator is changed depending on the intensity. This change affects the useful laser light and leads to a change in the frequency of the mode amplified by the resonator.
  • optical Kerr effect compared to conventional solutions is that, on the one hand, it works very quickly and, on the other hand, it only requires a small number of additional components. Apart from an additional laser arrangement and a slight change in the structure of the resonator, no further measures are necessary.
  • higher voltages can be dispensed with, which would be necessary, for example, when using the Pockel effect.
  • the frequency shift that can be achieved only depends on the resonator material used and the associated parameters. Possible materials at this point are the already mentioned silicon nitride SiNx, silicones, but also silicon Si, gallium phosphide GaP, or aluminum nitride AIN. LiNbOs, Ta 2 O3, GaAs, AlGaAs and HfO 2 can also be used. These materials are characterized by a second-order refractive index in the range of ICO 19 m 2 /W, so that with a sufficiently high quality factor, a change in the refractive index in the range of ICh 5 can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit einer ersten Laseranordnung, die ausgebildet ist, ein Nutzlaserlicht zu emittieren. Eine zweite einstellbare Laservorrichtung ist ausgebildet, wenigstens ein in der Intensität einstellbares Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge zu emittieren. Eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Modulationseingang und mit einem Ausgang ist mit der ersten Laservorrichtung am Signaleingang und mit der zweiten Laservorrichtung am Modulationseingang verbunden ist. Die planare Wellenleiterstruktur umfasst einen Resonator mit einem Material, dessen Brechungsindex abhängig von einer Intensität des Modulationslaserlicht einstellbar ist.

Description

LASERANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER LASERANORDNUNG
Die vorliegende Erfindung nimmt die Priorität der deutschen Erstanmeldung DE 10 2022 109 218 . 6 vom 14 . April 2022 in Anspruch, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollständig auf genommen wird .
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen .
HINTERGRUND
Kantenemittierende Laser basieren auf Laserdioden und sind mittlerweile für ein breites Frequenzspektrum verfügbar . Ihre hohe Ausgangsleistung und Realisierung als Massenprodukt haben sie für eine Vielzahl von Anwendungen interessant gemacht .
Dabei zeichnen sich derartige kantenemittierende Laser durch eine größere Linienbreite im Bereich einiger Nanometer aus , wobei die Ausgangsfrequenz zusätzlich abhängig von dem Strom und auch der Temperatur variiert . Dies eröffnet zwar zum einen eine Abstimmungsmöglichkeit , zum anderen wird die Ausgangsleistung des Lasers beeinflusst und ein erhöhter Schaltungsaufwand notwendig , um unerwünschte Effekte zu kompensieren oder zu unterdrücken .
In einer Reihe von Anwendungen sind j edoch Laser mit schmaler Linienbreite bzw . auch eine hohe Stabilität der Emissionswellenlänge und der Leistung gewünscht . Hierzu ist es notwendig, kantenemittierende Laser zu stabilisieren . Zum einen lässt sich dies durch DFB-Strukturen entlang des Laserresonators bewerkstelligen, wobei dies j edoch mit erhöhten Kosten verbunden ist . Eine Alternative dazu besteht in der Kopplung der Laseranordnungen mit externen Kavitäten mit einstellbaren Etalons , Bragg-Gratings oder auch mit Mikroresonatoren mit kleinem Formfaktor . Bei all diesen lassen sich Linienbreiten von nur wenigen kHz oder sogar darunter erreichen .
Letztere besitzen zudem die Möglichkeit , die Resonatorfrequenz des Mikroresonators aktiv zu steuern, z . B . umso beispielsweise eine Mo- denstabilisierung ( engl . Mode locking ) , eine erhöhte Temperaturstabilität oder eine Frequenzmodulation zu erreichen . Die bisher vorgeschlagenen Ansätze , z . B . eine thermische Erwärmung der Resonatorstruktur sind j edoch langsam und liegen im Bereich einiger kHz . Für Anwendungen gerade im LIDAR Bereich, bei dem sehr frequenzstabile Moden benötigt werden, die schnell modulierbar sein müssen, ist dies zu langsam. Damit besteht das Bedürfnis , Laseranordnungen anzugeben, die einerseits frequenzstabil sind und dennoch mit hohen Schaltfrequenzen im GHz Bereich moduliert werden können .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedürfnis wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen . Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen des vorgeschlagenen Prinzips sind in den Unteransprüchen angegeben .
Die Erfinder schlagen vor, unter Ausnutzung des optischen Kerr-Ef f ektes eine Brechzahlmodulation in einem Resonator zu erzeugen und auf diese Weise ein frequenzstabilisiertes Nutzlaserlicht zu modulieren . Dazu wird eine zweite Lichtquelle in Form eines Lasers verwendet , dessen Licht unter Ausnutzung der optischen Nichtlinearität eine aktive Modulation des stabilisierten Nutzsignals im Resonator bewirkt .
Bei Verwendung von photonischen integrierten Schaltkreisen mit Resonatorstruktur lassen sich die optischen Eigenschaften des Resonators durch ein Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge in geeigneter Weise unter Ausnutzung des optischen Kerr-Ef f ektes steuern . Auf diese Weise lassen sich planare Wellenleiterstrukturen der vorgeschlagenen Art mit zusätzlichen Funktionalitäten wie Strahlteilung oder -Kombination, optischen Schaltern usw . kombinieren .
In einem Aspekt nach dem vorgeschlagenen Prinzip umfasst eine Laseranordnung eine erste Laservorrichtung , und insbesondere eine kantenemittierende Laservorrichtung , die ausgebildet ist , ein Nutzlaserlicht zu emittieren . Das Nutzlaserlicht besitzt eine erste Hauptwellenlänge oder vereinfacht gesagt eine erste Wellenlänge . Unter dem Begriff „Licht einer Wellenlänge" sei an dieser Stelle nicht eine (mathematisch) einzelnen Wellenlänge zu verstehen . Vielmehr zeigt das Licht ein gewisses , wenn auch sehr kleines Linienspektrum mit einer bestimmten Breite im Bereich einiger nm oder auch darunter . In diesem Zusammenhang spricht man daher auch davon, dass das Licht der einen Wellenlänge verbreitert ist , und sein Maximum bei dieser Wellenlänge sitzt .
Die vorgeschlagene Laseranordnung umfasst weiterhin wenigstens eine zweite einstellbare Laservorrichtung , die ausgebildet ist , wenigstens ein in der Intensität einstellbares Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge zu emittieren .
Zur Stabilisierung der ersten Laservorrichtung ist eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Modulationseingang und mit einem Ausgang vorgesehen . In einigen Aspekten ist die planare Wellenleiterstruktur in Form eines PIC (photonic integrated circuit ) oder eines PLC (planar light circuit ) ausgeführt . Die erste Laservorrichtung , welches im Betrieb das Nutzlaserlicht erzeugt , ist mit dem Signaleingang verbunden, die zweite Laservorrichtung ist mit dem Modulationseingang verbunden .
Die planare Wellenleiterstruktur weist zudem einen Resonator auf , dessen Material einen von einer Intensität des Modulationslaserlicht abhängigen einstellbaren Brechungsindex umfasst . Mit anderen Worten ist ein Resonator der planaren Wellenleiterstruktur zum einen so ausgestaltet , dass dieser mit dem Nutzlaserlicht interagiert , um beispielsweise eine vordefinierte Mode festzulegen . Zum anderen ist der Resonator ausgeführt , abhängig von einer Intensität des Modulationslaserlichts einen Brechungsindex zu ändern und so eine Verschiebung der vordefinierten Modenfrequenz zu erreichen . Dadurch ist eine Frequenzmodulation der Mode in Abhängigkeit der Intensität des Modulationslaserlichts möglich .
Mit der vorgeschlagenen Erfindung wird durch Ausnutzung des optischen Kerr-Ef f ektes eine rein optische Modulation eines Nutzlaserlichts möglich . Damit kann die planare Wellenleiterstruktur speziell auf die erste Laservorrichtung abgestimmt werden, um somit beispielsweise eine sehr hohe Frequenz- und Temperaturstabilität zu erreichen . Durch eine geeignete Wahl der Wellenlänge des Modulationslaserlichts , die unterschiedlich zu einer Wellenlänge des Nutzlaserlichts ist , wird eine Interferenz reduziert oder ganz vermieden . Weitere geeignete Maßnahmen in der planaren Wellenleiterstruktur unterdrücken zudem eine unerwünschte Aus kopplung des Modulationslaserlichts am Ausgang, so dass dort im Wesentlichen ein frequenzmodulierbares Nutzlaserlicht abgegriffen wird .
Es hat sich in einigen Aspekten als zweckmäßig herausgestellt , wenn das Modulationslaserlicht eine größere Wellenlänge aufweist als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts . In diesem Fall ist das Material des Resonators für das Modulationslaserlicht transparent . Zwar kann das Modulationlaserlicht auch eine kürzere Wellenlänge haben, aber bei längerer Wellenlänger ist das Material typischerweise transparenter als bei kürzerer , damit ergeben sich größere Photoneneinschlusszeiten im Resonator und größere Intensitäten .
Einige Aspekte beschäftigen sich mit der Ausgestaltung eines Resonators innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur . Der Resonator kann beispielsweise als ein Ringresonator ausgestaltet sein . In einigen Aspekten kann der Resonator eine planare Microkavität insbesondere zwischen 2 Spiegeln aufweisen . Ebenso ist es möglich, den Resonator durch eine materialspezifische Kavität innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur zu realisieren . Dies kann in einigen Aspekten durch eine Dotierung erfolgen . In einigen anderen Aspekten ist der Resonator durch eine photonische Struktur gebildet . In wieder anderen Aspekten kann der Resonator mit oder auch als ein sogenannter „whispering gallery mode Resonator" ausgeführt sein .
In einigen Aspekten umfasst die planare Wellenleiterstruktur eine Ein- und Aus koppelstruktur , die mit dem Signaleingang und dem Ausgang verbunden ist und mit der eine optische Ankopplung an den Resonator erreicht wird . Mit anderen Worten ist der Resonator nicht direkt , d . h . über einen Wellenleiter zwischen Signaleingang und Ausgang geschaltet , sondern es erfolgt leidglich eine indirekte optische Ankopplung . Somit kann die eigentliche Resonatorstruktur innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur von einem Wellenleiter oder einer anderen optisch aktiven Struktur , welche den Signaleingang mit dem Ausgang verbindet , beabstandet sein .
In einigen Aspekten umfasst die planare Wellenleiterstruktur somit einen den Signaleingang mit dem Signalausgang verbindenden Wellenleiter, von dem der Resonator beabstandet ist . In einigen Aspekten ist der Modulationseingang der planaren Wellenleiterstruktur mit dem verbindenden Wellenleiter verbunden . Dadurch wird das Modulationslaserlicht in den Wellenleiter eingeführt und koppelt von dort aus in den Resonator . Es ist bei dieser Ausgestaltung in einigen Aspekten zweckmäßig , den Ausgang mit einem optischen Element zu versehen, welches das Modulationslaserlicht blockiert . Dies kann ein Filter oder ein Spiegel oder eine DBR-Struktur sein . In einigen Aspekten ist ein Einkopplungskoeffizient von Modulationslaserlicht von dem verbindenden Wellenleiter in den Resonator größer als ein Einkopplungs koeffizient des Nutzlaserlichts . Dies kann generell bei auch den noch weiter unten genannten Ausführungen der Fall sein . Auf diese Weise ist sichergestellt , dass das Modulationslaserlicht bestmöglich für die Veränderung der Brechzahl genutzt wird . Je besser der Einkopplungs koef f izienz diesbezüglich ist , desto geringer kann die Leistung der zweiten Laserquelle sein, um den gewünschten Effekt zu erzeugen .
In einer Ausgestaltung umfasst die planare Wellenleiterstruktur einen Modulationswellenleiter, der mit dem Resonator zur Einkopplung des Modulationslaserlichts gekoppelt ist . Mit anderen Worten werden die optischen Pfade für das Nutzlaserlicht und das Modulationslaserlicht auch räumlich voneinander getrennt , so dass der Modulationswellenleiter keine direkte Verbindung über einen Wellenleiter zum Signaleingang oder Ausgang aufweist . Dadurch wird eine direkte Interaktion des Modulationslaserlichts mit dem Nutzlaserlicht reduziert bzw . eine Interferenz oder eine Schwebung vermieden . Auch in diesen Aspekten kann der Modulationseingang gegenüberliegenden Ende des Modulationswellenleiters einen Spiegel oder einen Absorber aufweisen .
Die Laseranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip sollte grundsätzlich für das Nutzlaserlicht als auch für das Modulationslaserlicht transparent sein . Je nach Ausgestaltung kann darüber hinaus der Resonator innerhalb der planaren Wellenleiterstruktur ein gegenüber dem Rest der Wellenleiterstruktur unterschiedliches Material aufweisen . Dabei ist die Erzeugung des optischen Kerr-Ef f ektes ebenfalls materialabhängig . Durch das optische Pumpen mit dem Modulationslaserlicht wäre ein hoher Q-Faktor generell wünschenswert , da ein solcher die Lebensdauer der Photonen des Pumplaserlichts erhöht und somit zu einer stärkeren Änderung der Brechzahl führt . Geeignete Materialen für einen solchen Resonator wären beispielsweise Si , SiNx, AIN, Si , Ta2Ü5 , LiNbOs , HfÜ2 , AlGaAs oder auch verschiedene Silica, wobei hier der Kerr-Koef f izient noch kleiner ist .
Einige andere Aspekte beschäftigen sich mit einem Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung . Hierzu weist die Laseranordnung eine erste Laservorrichtung , insbesondere eine kantenemittierende Laservorrichtung zur Erzeugung eines Nutzlaserlicht auf . Zudem umfasst sie eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang , einem Ausgang und einem Resonator, dessen Brechungsindex einstellbar ist . Bei dem Verfahren wird nun ein Nutzlaserlicht erzeugt und das Nutzlaserlicht in die planare Wellenleiterstruktur eingekoppelt . Der vorhandene Resonator verstärkt zumindest eine Mode des Nutzlaserlichts selektiv und bewirkt auf diese Weise eine optische Rückkopplung , die auch als „self-in j ection mode locking" bezeichnet wird .
Des Weiteren wird ein Modulationslaserlicht in ein Material des Resonators eingestrahlt und damit ein Brechungsindex eines Materials des Resonators in Abhängigkeit einer Intensität des eingestrahlten Modulationslaserlichts verändert .
Dabei kann der Brechungsindex hin zu größeren Werten verschoben werden, wenn die „Nulllinie" kein Modulationslaserlicht beinhaltet ( d . h . die Intensität des Modulationslaserlichts 0 ist ) . Allerdings lässt sich der Brechungsindex auch zu kleineren Werten verschieben, wenn das Modulationslaserlicht von einem ersten Intensitätswert hin zu kleineren Werten verschoben wird . Auf diese Weise kann die Frequenz des Nutzlaserlichts sowohl zu größeren als auch zu kleineren Werten verschoben werden . Die Veränderung des Brechungsindex erfolgt bei dem vorgestellten Verfahren durch den intensitätsabhängigen optischen Kerr-Effekt .
In einigen Aspekten ist eine Wellenlänge des Modulationslaserlichts größer als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts . Es ist in einigen Aspekten zweckmäßig, wenn ein Einkoppeln des Nutzlaserlichts in die planare Wellenleiterstruktur räumlich getrennt von einem Einstrahlen des Modulationslaserlichts erfolgt . Dadurch wird eine Wechselwirkung zwischen dem Nutzlaserlicht und dem Modulationslaserlicht weitestgehend reduziert .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden .
Figur 1 zeigt eine Laseranordnung mit einer kantenemittierenden Laserdiode und einem PIC;
Figur 2 stellt eine Laseranordnung mit einigen Aspekten nach dem vorgeschlagenen Prinzip dar ;
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Laseranordnung mit einigen Aspekten nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Figur 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Laseranordnung nach Figur 3 ;
Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum Betreiben einer Laseranordnung mit einigen Aspekten nach dem vorgeschlagenen Prinzip .
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu . Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben . Es versteht sich von selbst , dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird . Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf . Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auf treten können, ohne j edoch der erfinderischen Idee zu widersprechen .
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt , und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein . Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden . Begriffe wie "oben" , "oberhalb" , "unten" , "unterhalb" , "größer" , " kleiner" und dergleichen werden j edoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt . So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten .
Figur 1 zeigt das Prinzip eines Mikroresonators , der für eine Frequenzstabilisierung einer Laserdiode besonders geeignet ist . Die Anordnung umfasst eine Laserdiode 10 , die optisch an eine Resonatorschaltung 2 ' angeschlossen ist . Die Resonatorschaltung 2 ' umfasst einen Wellenleiter 11 , dessen Eingang mit der Laserdiode 10 verbunden ist , sowie einen Ausgang 12 ' . Darüber hinaus ist in der Anordnung 2 ' ein Resonator 3 in Form eines Ringresonators angeordnet .
Eine Laserdiode der eingangs genannten Art , insbesondere in Form eines kantenemittierenden Lasers erzeugt das über der Laserdiode 10 angezeigte Spektrum. Das Spektrum der Laserdiode 10 besitzt eine Linienbreite von einigen Nanometern und enthält eine Vielzahl von Moden . Es ergibt sich aus der Herstellung eines kantenemittierenden Lasers sowie durch die Verbreiterung aufgrund von Instabilitäten, die beispielsweise durch Temperatur oder auch eine Stromvariation verursacht werden . Dadurch wird die Kohärenzlänge derartiger kantenemittierenden Laserdioden reduziert . Durch die Temperaturabhängigkeit ergibt sich darüber hinaus eine Verschiebung der Wellenlänge im Bereich von 0 , 2 bis 0 , 3 nm/K . Um in diesem Zusammenhang eventuell schon bessre Ergebnisse hinsichtlich einer Kohärenzlänge und geringeren Linienbreite zu erzielen, können auch DFB oder andere Laser verwendet werden .
Die hier vorgeschlagene Anordnung erlaubt es nun, das Ausgangslaserlicht NL , auch als Nutzlicht bezeichnet , zu stabilisieren . Zu diesem Zweck wird das Nutzlicht NL in einen Wellenleiter 11 der Resonatoranordnung 2 ' eingekoppelt . Der Wellenleiter 11 ist optisch mit einem Ringresonator 3 gekoppelt . Der Ringresonator 3 ist hinsichtlich seiner Größe , d . h . hinsichtlich seines Radius so gestaltet , dass er einige Moden aus dem breiten Spektrum des kantenemittierenden Lasers 10 auswählt und verstärkt . Daraus ergibt sich ein Spektrum, bei dem eine Vielzahl einzelner Moden mit unterschiedlicher Wellenlänge stark überhöht sind .
Durch die optische Kopplung D zwischen dem Ringresonator 3 und dem Wellenleiter 11 erfolgt im Allgemeinen eine optische Rückkopplung vom Resonator zurück in die Laserdiodenkavität . Eine solche ist die weiter unten beschriebene selbst j ustierende und selbst induzierte Modenstabilisierung des abgegebenen Laserlichts ( „self-in ection ) , so dass die Anordnung 2 ' eine der möglichen Moden „auswählt" und diese am Ausgang 12 ' abgegeben wird . Alternative Feedback Möglichkeiten sind z . B . durch den Vernier-Effekt gegeben .
Die selbst induzierte Stabilisierung lässt sich durch die Kopplung D zwischen dem Ringresonator und dem Wellenleiter als auch durch die geometrischen Abmessungen des Ringresonators in gewisser Weise einstellen . Durch die selbst induzierte Stabilisierung wird die spektrale Bandbreite der nun ausgewählten Mode deutlich reduziert und liegt im Bereich von nur wenigen Megahertz bzw . j e nach Art der verwendeten Laser auch darunter . Gleichzeitig wird die Kohärenzlänge des abgegebenen Laserlichts vergrößert und es erfolgt eine Stabilisierung der Wellenlänge gegenüber Temperaturänderungen . Auf diese Weise lassen sich kantenemittierende Laser auch für Anwendungen realisieren, bei denen eine hohe Kohärenzlänge und eine besonders kleine Linienbreite erforderlich sind . Durch die Verwendung eines derartigen Mikroresonator ist zudem die Implementierung einer solchen Anordnung sehr klein und platzsparend .
Allerdings ist durch die Stabilisierung mittels des Mikroresonators eine anschließende Modulation des kantenemittierenden Lasers selbst , beispielsweise durch eine Änderung des Stromes durch den Laser nicht mehr möglich . Aus diesem Grund muss für eine Frequenzmodulation der Mikroresonator selbst moduliert werden, und zwar genauer gesagt der Brechungsindex des Materials des Resonators . Dies lässt sich beispielsweise durch ein Erwärmen bzw . Ab kühlen der Resonatoranordnung 2 ' erreichen, da durch einen solchen Parameter der Brechungsindex entsprechend geändert wird . Jedoch ist eine derartige thermische Modulation sehr langsam und auf Modulationsfrequenzen mit wenigen 10 kHz beschränkt . Eine elektro-optische Modulation, beispielsweise durch Anlegen eines konstanten elektrischen Feldes ist ebenfalls denkbar , j edoch werden hierfür hohe Spannungen benötigt . Dies ist gerade bei platzsparenden und gegebenenfalls besonderen Anwendungen im Niederstrom oder Niederspannungsbereich nur schwer möglich . Ebenso entfällt die Notwendigkeit einer Ansteuerung zur Erzeugung derartiger Spannungen .
Aus diesem Grund schlagen die Erfinder eine reine optische Modulation des Brechungsindex innerhalb des Ringresonators unter Ausnutzung des optischen Kerr-Ef f ektes vor .
Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Prinzips . Bei dieser ist neben der eigentlichen Laserdiode 10 zur Abgabe des Nutzlichts NL auch eine zweite Laserdiode 20 zur Erzeugung eines Modulationslichts ML vorgesehen . Das Modulationslicht ML wird von einer zweiten Laseranordnung 20 erzeugt und über einen zweiten Wellenleiter 21 in den ersten Wellenleiter 11 eingekoppelt . Es gelangt von dort über die optische Kopplung in den Resonator 3 . Dies ist durch den Pfeil ML angedeutet . Durch den weiter unten im Detail noch erklärten optischen Kerr-Effekt wird der Brechungsindex des Materials des Ringresonators 3 intensitätsabhängig verändert . Dadurch werden die Eigenmoden des Ringresonators modifiziert , sodass sich eine Frequenzmodulation der Resonanzfrequenz und damit auch der Ausgangsfrequenz des Nutzsignals NL ergibt . Die Trägerfrequenz des Modulationslichts ML ist dabei von der Frequenz des Nutzlichts verschieden, sodass Interferenzen bzw . eine Interaktion zwischen Nutzlicht NL und Modulationslicht ML möglichst vermieden werden . Darüber hinaus ist sowohl der Wellenleiter 11 als auch das Material des Ringresonators 3 für das Nutzlicht NL und auch für das Modulationslicht ML im Wesentlichen transparent . Jedoch ist die optische Kopplung D zwischen Ringresonator 3 und dem Wellenleiter 11 so ausgestaltet , dass vor allem Nutzlicht aus dem Ringresonator 3 mit dem Nutzlicht des Wellenleiters 11 unter Bildung einer selbstinduzierten und selbst j ustierten Stabilisierung interagiert und am Ausgang 12 abgreifbar ist . Der Resonator 3 ist zudem so ausgestaltet , dass das Modulationslicht ML hingegen zwar in den Ringresonator einkoppelt , j edoch nicht oder nur in einem geringeren Maße wieder auskoppelt . Die Kopplung zwischen Resonator und Wellenleiter sind so ausgestaltet , dass die Intensität des Modulationslichts im Resonator maximiert wird .
Für die Veränderung des Brechungsindex wird der optische Kerr-Effekt ausgenutzt . Bei der Ausbreitung von Licht in einem transparenten Medium kann der Polarisationsvektor P aus dem elektrischen Fluss D = s0E + P als Summe aus verschiedenen materialabhängigen Termen dargestellt werden, da dieser die Antwort des Materials beinhaltet . p = £o( W E + x(2> EE + x& EEE + ■■■ ) ( 1 )
Dabei bezeichnet £0 die elektrische Feldkonstante , und x einen materialabhängigen Parameter, der Vektor E ist die Stärke des elektrischen Feldes des Lichtes . Für den Brechungsindex ergibt sich in erster Näherung eine lineare Antwort mit n0 = ^/1 + x^ •
Der zweite Term in der in Formel ( 1 ) dargestellten Form beinhaltet den Pockelsef f ekt , der lediglich in Materialien präsent ist , bei denen das Inversionssymmetriezentrum fehlt . In solchen Materialien lässt sich der Pockelsef f ekt einsetzen, um mit einem konstanten Feld den Brechungsindex zu variieren . Licht führt hingegen nicht zu einer nutzbaren Veränderung des Brechungsindex über den Pockelsef f ekt , da die Feldstärkerichtung ausschlaggebend ist und sich im zeitlichen Mittel aufhebt .
Der dritte Term hingegen beschreibt den nichtlinearen Kerr-Effekt . Dieser ist symmetrieunabhängig und damit in allen Materialien vorhanden, besitzt aber eine gegenüber dem Pockelsef f ekt deutlich kleinere Amplitude . Der optische Kerr-Effekt wird durch das Quadrat des E-Feldes und damit von der Intensität erzeugt . Somit kann er bei sich zeitlich verändernden Feldern zu einem Nettoeffekt führen, unter anderem zu einen intensitätsabhängigen Brechungsindex .
Mit anderen Worten ist der Kerr-Effekt von der Intensität des abgestrahlten Lichts abhängig . Bei diesem sogenannten optischen bzw . AC- Kerr-Effekt erzeugt eine Modulation einer Intensität des eingestreuten Lichts somit auch eine Modulation des Brechungsindex, ohne dass dafür ein zusätzliches externes Feld notwendig ist . Es gilt in diesem Zusammenhang die Formel ( 2 ) :
Figure imgf000013_0001
Die Polarisation wird somit proportional zur Intensität und einem materialabhängigen Parameter . Daraus folgt , dass eine Änderung des Brechungsindex von der Intensität des eingeschalteten Lichts abhängig wird : An = n2/(r, t) •
Je nach Anwendungsfall und der gewünschten Frequenzmodulation stellt sich also die Frage , ob die Intensität eines Modulationslichts ML für die erforderliche Brechungsindexänderung ausreichend ist . Dies kann im Folgenden abgeschätzt werden . Bei einem Ringresonator, wie er beispielsweise in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist , ist der spektrale freie Bereich FSR durch die Formel ( 4 ) gegeben : A2
FSRf = 2nRng
Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit und R der Radius des j eweiligen Resonators . Die Konstante ng beschreibt den Gruppenindex der Wellenleitermode im Resonator . Bei typischen Größen des Resonators im Bereich von 100 pm Durchmesser liegt der freie spektrale Bereich für Wellenlängen knapp im infraroten Spektrum, d . h . bei ca . 800 nm -900 nm somit bei einigen 100 GHz . Entsprechend reicht eine Frequenzmodulation on ca . 1GHz d . h . also im Wesentlichen 0 , 25 % der Frequenz des freien Spektralbereichs für viele Anwendungen bereits aus .
Bei einem Nutzlicht mit einer Wellenlänge von 900 nm ergibt sich eine Differenz der Wellenlänge von in etwa AX=0 , 0027 nm . Diese Abweichung ist für frequenzmodulierten kontinuierliche Lasersysteme beispielsweise für Lidaranwendungen und Ähnliches ausreichend .
Für eine derartige Wellenlängen- oder Frequenzänderung lässt sich nun die Brechungsindexänderung aus der Resonanzbedingung des Ringresonators bei gegebener Ordnung m ermitteln . Es ergibt sich : m * 2n = 2nR * koneff ( 5 ) wobei der Parameter m die Ordnung angibt , k0 die Wellenzahl sowie neff den effizienten Brechungsindex , der im Fall für eine Variation des effektiven Brechungsindex näherungsweise mit dem erforderlichen Brechungsindexsprung An gesetzt werden kann .
Nach diesem Brechungsindexsprung An aufgelöst ergibt sich für eine
Wellenlängenänderung AA im Bereich von 0 , 0027 nm und der Ordnung m = 700 eine Brechungsindexänderung im Bereich von 10~6 , insbesondere 6 * 10 -6 .
Figure imgf000014_0001
Die Änderung An des Brechungsindex muss nun durch die Intensität des zusätzlichen Modulationslichts erzeugt werden . Dabei ist es zweckmäßig , ein Material als Ringresonator zu verwenden, welches zum einen transparent für das Modulationslicht ist , zum anderen aber auch eine relativ hohe Photonenlebensdauer innerhalb des Resonators besitzt . Dadurch wird gewährleistet , dass die Photonen sich ausreichend lang im Resonator aufhalten, bevor sie beispielsweise durch Absorption, Streuung oder andere Interaktionen aus dem Resonator verschwinden . Hierzu ist eine besonders hohe Güte des Resonators zweckmäßig .
In der vorgeschlagenen Abschätzung wird nun ein Q-Faktor im Bereich von 106 angenommen . Bei einer Photonenlebensdauer i im Resonator gemäß der Formel ( 7 )
T = 2Z = 2ZQ öf f
Figure imgf000015_0001
und einem Q-Faktor von Q=f /5f ergibt sich ein Verstärkungsfaktor a von Photonen des Modulationslichts innerhalb des Resonators als Verhältnis aus der Photonenlebensdauer i durch die Umlauf zeit tr durch den Resonator . Während die Umlauf zeit tr im Wesentlichen aus den Parametern des Resonators gegeben ist , d . h . Länge durch die Lichtgeschwindigkeit in diesem Material , wird die Photonenlebensdauer durch den Q-Faktor und die Frequenz bestimmt . Es gilt somit 4500 ( 8 )
Figure imgf000015_0002
In der Formel ( 8 ) zeigen unter anderem die Materialparameter Q, L und natürlich die f eine Frequenzabhängigkeit . Bei geringeren Frequenzen f , und konstanten Parametern Q und L ergibt sich unter anderem auch, dass eine geringere Frequenz , d . h . also energieärmeres Licht zu einem höheren Faktor a führt . Im Material ergeben sich größere Einschlusszeiten und damit größere Parameter Q bei größerem A typischerweise durch geringere Absorptions- und Streuverluste . Dies alles führt im Regelfall zu größeren Faktoren a bei größeren Wellenlängen . Bei einem Q-Faktor im Bereich von 0 . 5- 106 und einer Größe des Ringresonators mit R in etwa 50 pm ergibt sich ein Verstärkungsfaktor a von ungefähr 4500 . Bei einem Material des Ringresonators aus SiNx mit einem Brechungsindex no=2 , 0 und einem intensitätsabhängigen Brechungsindex n2 = 2 , 5 x l0~19 m2 /W folgt für einen Laser mit einer Leistung von P = 40 mW auf einer Abstrahlfläche von 1 pm Durchmesser eine Intensität I gemäß :
Figure imgf000016_0001
Diese Intensität führt gemeinsam mit dem Verstärkungsfaktor a im Bereich von 4500 zu einer intensitätsabhängigen Brechungsänderung An von :
An = n
2 2 * / = 2,5 * 10-19 — * 5,2 * 1O10 -^ * 4500 « 6 * IO“5 ( 10 ) W m2
Der Parameter n2 ist eine materialabhängige Größe und beschreibt die Brechungsindexänderung über das Quadrat der Strecke in Abhängigkeit der eingestrahlten Leistung . Die Brechungsindexänderung An ist somit ausreichend für die gewünschte Verschiebung und Frequenzmodulation von 1 GHz bei einem Nutzerlicht von 900 nm Wellenlänge .
Mit anderen Worten kann der optische Kerr-Effekt zur Erzeugung einer Brechungsänderung verwendet werden, wobei diese Änderung durch ein zusätzliches Modulationslicht von wenigen Milliwatt Leistung erreicht wird . Eine Intensitätsänderung des Modulationslichts erlaubt es somit , eine Frequenzmodulation des eingestrahlten Nutzlaserlichts zu bewirken .
Dabei kann diese Frequenzänderung im Bereich von einigen 100 MHz bis einigen GHz liegen, wobei dies insbesondere von den Materialeigenschaften des verwendeten Resonators , dessen Güte und dem daraus resultierenden Verstärkungsfaktor abhängig ist . Auf die Kohärenzlänge bzw . auch die Temperaturabhängigkeit des Lasers 20 für das Modulationslicht kommt es dabei weniger an, da diese durch schaltungstechnische Maßnahmen nachgesteuert werden kann bzw . eine Verschiebung der Frequenz des Modulationslichts aufgrund von Temperatureinflüssen für die erfindungsgemäße Lösung nicht von relevanter Bedeutung ist . Es reicht , die Intensität des Modulationslasers 20 schnell regeln zu können, um die gewünschte Modulationsfrequenz zu erreichen . Die Figuren 3 und 4 zeigen nun weitere Ausgestaltungen und Alternativen, bei denen verschiedene Aspekte der Ankopplung des Modulationslichts bzw . Aus kopplung des Nutzlichts aus dem Resonator im Vordergrund stehen . Während in der Figur 2 das Modulationslicht und das Nutzlicht im Wesentlichen innerhalb des gleichen Wellenleiters 11 propagieren, sind in den Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 unterschiedliche Wellenleiter 11 und 21 für das Nutzlicht NL bzw . das Modulationslicht ML vorgesehen .
In der Figur 3 umfasst die Resonatoranordnung 2 einen ersten Wellenleiter 11 , der über eine erste Kopplung D mit dem Ringresonator 3 verbunden ist . Der Wellenleiter 11 ist eingangsseitig mit einem kantenemittierenden Laser 10 verbunden . Ausgangsseitig ist ein moduliertes Nutzsignal NL abgreifbar . Ein zweiter Wellenleiter 21 ist räumlich beabstandet von dem ersten Wellenleiter 11 über eine zweite Kopplung D ' mit dem Ringresonator 3 verbunden . Der zweite Wellenleiter 21 ist eingangsseitig an den Modulationslaser 20 zur Zuführung des Modulationslichts ML angeschlossen . Die Kopplung D ' zwischen dem Ringresonator 3 und dem zweiten Wellenleiter 21 ist derart ausgestaltet , dass das Modulationslicht ML in großem Maße in den Ringresonator einkoppelt und so die Intensität des Modulationslaserlichts im Ringresonator maximiert wird . Hingegen sollte das Nutzlicht NL lediglich über die Kopplung D in den Ringresonator hinein bzw . ausgekoppelt werden .
Zu diesem Zweck ist der Ringresonator von den beiden Wellenleitern 11 bzw . 21 unterschiedlich beabstandet , sodass eine Einkopplung über eine optische Kopplung erfolgt . In geeigneter Weise können hierzu die Wellenleiter 11 bzw . 21 auch eine entsprechende Struktur beispielsweise eine Optik umfassen, die eine Einkopplung verbessert . Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn das Modulationslicht ML und das Nutzlicht an sich unterschiedliche Frequenzen aufweisen, um die Einkopplung zu verbessern bzw . die unerwünschte Auskopplung aus dem Resonator zu verhindern . Insbesondere hat sich herausgestellt , dass größere Wellenlängen für das Modulationslaserlicht von Vorteil sind, da sich die Güte des Resonators bei größeren Wellenlängen und damit die daraus resultierende Photonenlebensdauer vergrößert . Figur 4 zeigt eine leichte Abwandlung der Figur 3 , bei der am ausgangsseitigen Ende des Wellenleiters 21 für das Modulationslicht ein Spiegel angeordnet ist . Dadurch wird Modulationslicht , welches nicht in den Resonator 3 eingekoppelt ist , wieder zurückgeworfen und kann somit erneut durch die Kopplung D ' in den Ringresonator einkoppeln . Dies erhöht die Effizienz des Modulationslichts und erlaubt es , auch mit geringeren Gesamtintensitäten arbeiten zu können .
Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum Betreiben einer Laseranordnung , bei der die Laseranordnung eine erste Laservorrichtung , insbesondere in Form eines kantenemittierenden Lasers zur Erzeugung eines Nutzlaserlichts aufweist . Mit der ersten Laservorrichtung ist eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur verbunden, die neben einem Wellenleiter auch einen dazu optisch gekoppelten Resonator umfasst . Der Resonator ist derart ausgestaltet , dass sein Brechungsindex unter Ausnutzung des optischen Kehreffektes intensitätsabhängig einstellbar ist .
Bei dem Verfahren wird in Schritt S1 eine derartige Laseranordnung bereitgestellt und vorbereitet , indem sowohl eine erste Laservorrichtung als auch eine zweite Laservorrichtung elektrisch angeschlossen und für den Betrieb vorbereitet werden . Während die erste Laservorrichtung das Nutzlaserlicht erzeugt , dient die zweite Laservorrichtung zur Erzeugung eines Modulationslaserlichts . Die erste Laservorrichtung erzeugt im Betrieb ein in seiner Intensität im Wesentlichen konstantes Nutzlaserlicht . Hingegen ist die zweite Laservorrichtung in Schritt S1 so ausgeführt , dass sie ein Modulationslaserlicht mit variabler Intensität erzeugt . Die Modulationsfrequenz bzw . die Art und Weise der Amplitudenmodulation bedingt unter Berücksichtigung des optischen Kerr-Ef f ektes eine entsprechende Veränderung des Brechungsindex innerhalb des Resonators und damit eine resultierende Frequenzmodulation des Nutzlaserlichts .
In Schritt S2 wird das Nutzlaserlicht erzeugt und in die planare Wellenleiterstruktur eingekoppelt . Durch den Resonator wird dabei zumindest eine Mode des Nutzlaserlichts selektiv verstärkt und lässt sich am Ausgang als Einzelmodenlaser abgreifen . In Schritt S3 wird ebenso ein Modulationslaserlicht in das Material des Resonators eingestrahlt . Durch eine Änderung der Intensität des ein gestrahlten Modulationslaserlichts wird der Brechungsindex des Materials des Resonators in Abhängigkeit der Intensität geändert . Diese Änderung wirkt auf das Nutzlaserlicht und führt zu einer Änderung der Frequenz , der durch den Resonator verstärkten Mode . Dadurch ergibt sich auch eine Frequenzänderung des eingestrahlten Nutzlaserlichts , wobei die Amplitudenmodulation die Brechungsindexänderung bestimmt , und diese dann eine Frequenzmodulation im Nutzlicht bewirkt . Die Frequenzmodulation folgt so der Amplitudenmodulation .
Hierbei ist f estzuhalten, dass sich eine Veränderung des Brechungsindex bei einer ansteigenden Intensitätsänderung vor allem zu größeren Wellenlängen hin ergibt , da der Effekt in den meisten Materialien positiv ist . Mit anderen Worten erfolgt eine Frequenzmodulation somit zu kleineren Frequenzen hin .
Will man hingegen eine Frequenzmodulation in beide Richtungen, d . h . ausgehend von einer Grundfrequenz fo sowohl zu höheren ( fo+Af ) als auch zu niedrigeren ( fo-Af ) Frequenzen hin erreichen, so ist es zweckmäßig , die Grundfrequenz f0 bereits mit einer definierten Intensität des Modulationslaserlichts zu spezifizieren und zu erzeugen . Durch eine Veränderung der Intensität des bereits vorhandenen Modulationslaserlichts hin zu stärkeren bzw . zu schwächeren Intensitäten kann auf diese Weise auch eine Frequenzmodulation in beide Richtungen, d . h . zu höheren oder zu geringeren Frequenzen erreicht werden .
Die Ausnutzung des optischen Kerr-Ef f ektes gegenüber den konventionellen Lösungen haben den Vorteil , dass sie zum einen sehr schnell arbeitet , zum anderen nur geringe Zahl zusätzlicher Bauteile benötigen . Bis auf eine zusätzliche Laseranordnung und eine geringfügige Veränderung der Struktur des Resonators sind keine weiteren Maßnahmen notwendig .
Insbesondere kann auf höhere Spannungen verzichtet werden, die beispielsweise bei der Verwendung des Pockelsef f ekts notwendig wären . Die erreichbare Frequenzverschiebung ist lediglich von dem verwendeten Material des Resonators und der damit verbundenen Parameter abhängig . Mögliche Materialien sind an dieser Stelle das bereits genannte Siliziumnitrid SiNx, Silikone, aber auch Silizium Si, Galliumphosphid GaP, oder Aluminiumnitrid AIN. Ebenso lassen sich LiNbOs, Ta2O3, GaAs, AlGaAs und HfO2 verwenden. Diese Materialien zeichnen sich durch einen Bre- chungsindex der zweiten Ordnung im Bereich von ICO19 m2 /W aus, sodass bei einem ausreichend hohen Gütefaktor eine Änderung des Brechungsindex im Bereich von ICh5 erreichbar wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
1, 1' Laseranordnung 2,2' Resonatoranordnung
3 , 3 ' Resonator
10 Laservorrichtung
11 Wellenleiter
12 ' , 12 Ausgang 20 Laservorrichtung
21 Wellenleiter
D, D' Kopplung
NL Nutzlicht
ML Modulationslicht

Claims

PATENTANSPRÜCHE Laseranordnung aufweisend : eine erste Laservorrichtung, insbesondere kantenemittierende Laservorrichtung , die ausgebildet ist , ein Nutzlaserlicht zu emittieren; wenigstens eine zweite einstellbare Laservorrichtung, die ausgebildet ist , wenigstens ein in der Intensität einstellbares Modulationslaserlicht mit einer zum Nutzlaserlicht unterschiedlichen Wellenlänge zu emittieren; eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Modulationseingang und mit einem Ausgang , wobei die erste Laservorrichtung mit dem Signaleingang verbunden ist ; und die zweite Laservorrichtung mit dem Modulationseingang verbunden ist ; wobei die planare Wellenleiterstruktur einen Resonator mit einem Material aufweist , dessen Brechungsindex abhängig von einer Intensität des Modulationslaserlicht einstellbar ist . Laseranordnung nach Anspruch 1 , bei dem eine Wellenlänge des wenigstens einen Modulationslaserlichts größer ist als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts . Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der Resonator der Wellenleiterstruktur einen Ringresonator aufweist . Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der Resonator der planaren Wellenleiterstruktur wenigstens einen der folgenden Elemente aufweist : eine planare Microkavität insbesondere zwischen 2 Spiegeln; eine durch Dotierung erzeugte materialspezifische Kavität ; eine photonische Struktur; und einen whispering gallery mode Resonator . Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem die planare Wellenleiterstruktur eine Ein- und Auskoppelstruktur in den Resonator aufweist , die mit dem Signaleingang und dem Ausgang verbunden ist .
6 . Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem die planare Wellenleiterstruktur einen den Signaleingang mit dem Signalausgang verbindenden Wellenleiter umfasst , von dem der Resonator optional beabstandet ist .
7 . Laseranordnung nach Anspruch 6 , bei dem der Modulationseingang der planaren Wellenleiterstruktur mit dem verbindenden Wellenleiter verbunden ist .
8 . Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem die planare Wellenleiterstruktur einen Modulationswellenleiter umfasst , der mit dem Resonator zur Einkopplung des Modulationslaserlichts gekoppelt ist , wobei der Modulationswellenleiter keine direkte Verbindung über einen Wellenleiter zum Signaleingang oder Ausgang aufweist .
9 . Laseranordnung nach Anspruch 8 , bei dem der Modulationswellenleiter an einem dem Modulationseingang gegenüberliegenden Ende einen Spiegel oder einen Absorber aufweist .
10 . Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem der Resonator wenigstens eines der folgenden Materialien umfasst , die zumindest für das eingestrahlte Nutzlaserlicht transparent sind :
- SiNx
- AIN
- Si ,
- Ta2O5 ;
- InP,
AlGaAs und
- LiNiO5 .
11 . Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung, wobei die Laseranordnung aufweist : eine erste Laservorrichtung, insbesondere kantenemittierende Laservorrichtung zur Erzeugung eines Nutzlaserlicht ; eine insbesondere planare Wellenleiterstruktur mit einem Signaleingang, einem Resonator mit einem Material aufweist , dessen Brechungsindex einstellbar ist und einem Ausgang, das Verfahren umfassend :
Erzeugen eines Nutzlaserlicht und Einkoppeln des Nutzlaserlichts in die planare Wellenleiterstruktur, wobei durch den Resonator zumindest eine Mode des Nutzlaserlichts selektiv verstärkt wird; Einstrahlen eines Modulationslaserlichts in ein Material des Resonators ;
Verändern eines Brechungsindex eines Materials des Resonators in Abhängigkeit einer Intensität des eingestrahlten Modulationslaserlicht . Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem eine Wellenlänge des Modulationslaserlichts größer ist als eine Wellenlänge des Nutzlaserlichts . Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 , bei dem der Schritt des Veränderns eines Brechungsindex des Materials durch den optischen Kerr Effekt erfolgt . Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 , bei dem das Einkoppeln des Nutzlaserlichts in den Resonator räumlich getrennt von einem Einstrahlen des Modulationslaserlichts erfolgt .
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