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DE3311808A1 - Kompakter, miniaturisierter, optischer spektrumanalysator als monitor fuer halbleiterlaser-lichtquellen - Google Patents

Kompakter, miniaturisierter, optischer spektrumanalysator als monitor fuer halbleiterlaser-lichtquellen

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DE3311808A1
DE3311808A1 DE19833311808 DE3311808A DE3311808A1 DE 3311808 A1 DE3311808 A1 DE 3311808A1 DE 19833311808 DE19833311808 DE 19833311808 DE 3311808 A DE3311808 A DE 3311808A DE 3311808 A1 DE3311808 A1 DE 3311808A1
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fabry
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resonator
optical
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Ralf Thomas Prof. Dipl.-Phys. Dr. 7803 Gundelfingen Kersten
Rainer Dipl.-Phys. Dr. 7815 Kirchzarten Kist
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen kompakten, miniaturisierten optischen
  • Spektrumanalysator als Monitor für Halbleiterlaser-Lichtquellen.
  • Mit diesem Meßinstrument können Halbleiterlaser stabilisiert oder ihre Arbeitsweise kontrolliert werden.
  • Erfindungsgemäß beruht der Analysator auf dem Prinzip des Fabry-Perot-Resonators. Er besteht aus einem kompakten Wellenleiter (1), dessen Enden (2) senkrecht zur Wellenleiterachse (8) stehen und eben sind. Diesen Enden können entweder durch Polieren oder geeignetes Brechen hergestellt werden. Die Enden sind mit hdchreflektierenden dielektrischen oder metallischen Spiegeln (3) versehen, die mindestens bei der zu untersuchenden Laserlicht-Wellenlänge eine Reflexion von > 95 % haben sollen. Das Licht des Halbleiterlaser (4) wird in den Spektrumanalysator eingekoppelt. In Abhängigkeit vom Spektrum des eingekoppelten Lichtes ergibt sich am Detektor (5) entsprechend der Theorie des Fabry-Perot-Resonators ein Signal, das über die Auswerteelektronik (6) verarbeitet werden kann und zu einer Regelspannung (7) führt (Fig. 1).
  • Der Lichtwellenleiter kann entweder aus einem Stück Monomode-Lichtfaser bestehen oder mit Hilfe der integrierten Optik, z. B.
  • Ti-Eindiffusion in LiNbO3 hergestellt werden.
  • Die Länge L des Fabry-Perot-Resonators bestimmt - zusammen mit dem Brechungsindex des Wellenleitermaterials (Quarz: n = 1,45, LiNbO3: n = 2,2) - den freien Spektralbereich av = c/(2nL) des Resonators.
  • Eine Länge L = 0,5 mm führt z. B. auf av = 200 GHz. Mit diesem freien Spektralbereich kann noch der Modenabstand von Halbleiterlasern gemessen werden, der z. B. bei AlGaAs-Dioden im Bereich von 150 GHz liegt. Außerdem können Modensprünge des Halbleiterlasers sowie das in der Umgebung dieser Sprünge auftretende instabile Verhalten der Laseremission detektiert werden. Daher kann das abgegebene Signal (7) mit der Regelung des Injektionsstromes des Halbleiterlasers derart gekoppelt werden, daß die Laseremission im stabilen Bereich zwischen benachbarten Modensprüngen gehalten wird. Die Temperaturabhängigkeit der vom Halbleiterlaser emittierten Wellenlänge innerhalb eines solchen stabilen Bereiches beträgt bei AlGaAs-Halbleiterlaser 0,06 nm/K (130 GHz/K). Bei einer Finesse F 5 #r/1 - r²) (r² = Reflexionskoeffizient) von 30 (entsprechend r² = 95 %) und dem oben genannten freien Spektralbereich ## = 200 GHz ergibt sich ein Auflösungsvermögen ## = ##/F = 6,7 GHz, was bei einer Wellenlänge des Halbleiterlasers von z. B. 1 µm der Auflösung dA = 0,022 nm entspricht. Sind höhere Auflösungsvermögen gefordert, so muß der Fabry-Perot-Resonator länger gemacht werden, um damit den freien Spektralbereich zu verlängern. Eine Wellenleiterlänge von 30 mm beispielsweise führt auf ## = 3,5 GHz, was einer Auflösung ###100 MHz bzw. ##0,4 x 10-3 nm zur Folge hat. Die Genauigkeit, mit der ein solcher Spektralanalysator die Wellenlänge des Halbleiterlasers über eine geeignete Regelung zu stabilisieren gestattet, entspricht dieser Auflösung.
  • Im Fall der Hochfrequenz-Leistungsmodulation des Halbleiterlasers mit einer Frequenz vM (z. B. 500 MHz) enthält das Spektrum des modulierten optischen Trägers neben der Trägerfrequenz 90 (bei Ao = 1 um ist vO = 3 x 1014 Hz) die beiden Seitenbänder bei +- + vM. Der spektrale Abstand vM dieser Seitenbänder kann z. B. mit einem Fabry-Perot-Resonator der Länge L = 30 mm und der Finesse F = 30 mühelos aufgelöst werden. Das Intensitätsverhältnis Ix (vO) und Ix (vO + vM) erlaubt die Messung und somit Kontrolle des Modulationsgrades. Die Modulation von Halbleiterlaserdioden kann auf diese Weise einfach überwacht werden.
  • Um das Spektrum eines Halbleiterlasers zu messen, muß der Fabry-Perot-Resonator über seinen freien spektralen Bereich durchgestimmt werden. Bei üblichen Fabry-Perot-Resonatoren, die aus zwei mechanischen, hoch präzis gelagerten Spiegeln, zwischen denen sich Luft befindet, bestehen, erfolgt diese Abstimmung, d. h. die Veränderung der Resonatorlänge, über piezoelektrische Feintriebe. Die Finesse des Fabry-Perots darf bei dieser Durchstimmung in keinem Fall verändert werden, was zu einem erheblichen mechanischen Aufwand führt. Im Falle des aus einem Lichtwellenleiter bestehenden Fabry-Perot-Resonators kann die Abstimmung einfacherweise durch Temperaturänderung des Wellenleiters erfolgen.
  • Für eine volle Durchstimmung des freien spektralen Bereiches genügt bereits eine Temperaturänderung von 0,5 K. Verwendet man einen Monomode-Lichtwellenleiter als Resonator, so kann dieser mit einer Metallschicht belegt werden. Wird diese Metall schicht mit elektrischem Strom durchflossen, so wirkt sie als Heizwicklung.
  • Dadurch kann eine sehr schnelle Temperaturänderung des Resonators bei geringem Leistungsverbrauch erzielt werden. Bei Einsatz von integriert optischen Resonatoren unter Einsatz von elektrooptischen Materialien kann die Resonatorabstimmung durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld erfolgen. Da der elektrooptische Effekt fast trägheitslos arbeitet, ist eine extrem schnelle Durchstimmung des freien spektralen Bereiches möglich. Dadurch werden Echtzeitmessungen an Halbleiterlaserdioden hinsichtlich ihres Spektrums mit einer zeitlichen Auflösung von 1 ns möglich.
  • Die Ankopplung des Spektrumanalysators (9), wie er in Fig. 2 mit einer Metallbeschichtung (10) zur Temperaturdurchstimmung gezeigt ist, an den Halbleiterlaser (11), der vom Injektionsstrom (12) durchflossen wird und durch die Kombination einer Wärmesenke (13), eines Peltier-Elementes (14) und einer entsprechenden Elektronik (15) temperaturstabilisiert ist, kann durch einen Richtkoppler (16) erfolgen. Der Richtkoppler kann entweder aus einer Monomode-Faser oder in der Technik der integrierten Optik hergestellt sein. Zur Erhöhung des Kopplungswirkungsgrades kann eine Optik (17) zwischen Halbleiterlaser (11) und Richtkoppler (16) eingesetzt werden. Um schädliche Rückreflexionen in den Halbleiterlaser (12) zu vermeiden, ist eine optische Richtungsleitung (18), die z. B. aus einem gyromagnetischen Material bestehen kann, vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird ein Teil des vom Halbleiterlasers (12) abgestrahlten Lichtes über die Optik (17), die Richtungsleitung (18), den Richtkoppler (16), dem Fabry-Perot-Resonator (9) zugeführt. Diese liefert ein vom Spektrum des Halbleiterlasers (12) abhängiges Ausgangssignal, das vom Detektor (19) in ein elektrisches Signal umgesetzt wird und über eine Auswerteelektronik (20) zu einem geeigneten Regel signal (21) umgeformt wird. Die Abstimmung des Fabry-Perot-Resonators erfolgt durch Stromdurchfluß der Metallbeschichtungen (10), wobei die Stromquelle (22) entsprechend programmiert wird.
  • Eine andere Anordnung zur Ankopplung des Fabry-Perot-Resonators an den Halbleiterlaser zeigt Bild 3. Hierbei wird das vom hinteren Laserspiegel abgestrahlte Licht (23) des Halbleiterlasers (11) wiederum über eine Optik (17) undceine optische Richtungsleitung (18) in den Fabry-Perot-Resonator (9) eingestrahlt. Alle anderen Elemente entsprechen Bild 2. In diesem Falle steht das Gesamte vom vorderen Laserspiegel (24) abgestrahlte Licht zur Verfügung.

Claims (12)

  1. Kompakter,miniaturisierter,optischer Spektrumanalysator als Monitor für Halbleiterlaser-Lichtquellen P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Monitor zur Erfassung der spektralen Emission von Halbleiterlaser-Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des vom Halbleiterlaser abgestrahlten Lichtes einem miniaturisierr ten, durchstimmbaren und nur aus einem einzigen Teil bestehenden Fabry-Perot-Resonator zugeführt und mittels eines Fotodetektors ein geeignetes elektrisches Signal zur Steuerung des Halbleiter-Lasers oder für andere Regelungsaufgaben gewonnen wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Halbleiterlaser abgestrahlte Licht über einen Richtkoppler dem Fabry-Perot-Resonator zugeführt wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom hinteren Halbleiterlaserspiegel abgestrahlte Licht direkt in den Fabry-Perot-Resonator eingekoppelt wird.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein miniaturisiertes optisches System, bestehend aus einer Gradientenlinse und einer optischen Richtungsleitung,für die Kopplung Halbleiterlaser/Fabry-Perot-Resonator eingesetzt wird.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gewonnene Regelungssignal den Injektionsstrom des Halbleiterlasers derart steuert, daß der Halbleiterlaser spektral gesehen in einem stabilen Zustand arbeitet.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Meßanordnung der Modulationsgrad von Halbleiterlasern kontrolliert wird.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fabry-Perot-Resonator aus einem Stück Monomode-Lichtwellenleiter mit ebenen und senkrecht zur Achse stehenden Endflächen besteht, die mit hochreflektierenden, dielektrischen oder metallischen Spiegeln versehen sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fabry-Perot-Resonator aus einem integriert optischen Lichtwellenleiter besteht, dessen Enden hochreflektierend sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der integriert optische Wellenleiter aus einem elektrooptischen Material besteht und der Fabry-Perot-Resonator durch Anlegen eines elektrischen Feldes durchgestimmt werden kann.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der integriert optische Wellenleiter aus einem geeigneten Halbleitermaterial besteht und monolitisch mit dem Halbleiterlaser integriert ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fabry-Perot-Resonator durch Temperaturänderung des Lichtwellenleiters durchgestimmt werden kann.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Fabry-Perot-Resonator verwendete Monomode-Lichtwelii lenleiter metallbeschichtet ist und die Temperaturänderung durch Stromfluß durch diese Metallbeschichtung erfolgt.
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