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Die
Erfindung basiert auf einem Verfahren zum Einstellen der Arbeitswellenlänge von
Lasern und einer Wellenlängenstabilisierungsüberwachung zum
Regeln der Wellenlänge
eines Lasers mit einem optischen Eingang, einem Teiler, einem Wellenlängenfilter
in einem Arm und zwei Fotodetektoren.
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Verfahren
zur Wellenlängenstabilisierung und
-einstellung sind aus dem Stand der Technik, z. B. aus der
US 4,583,228 bekannt. Eine
Wellenlängenüberwachung
wird in diesen Wellenlängenstabilisierungsverfahren
verwendet. Hier durchquert das Licht eines Lasers zuerst einen Strahlteiler
und trifft dann auf einen Fotodetektor in jedem von zwei Armen.
Einer der beiden Arme enthält
ein Fabry-Perot-Interferometer. Die von den beiden Fotodioden bereitgestellten
Fotoströme
werden in einem Differenzverstärker
verglichen und liefern ein resultierendes Fehlersignal, das für den Steuerschaltkreis
benötigt
wird. Die Wellenlängenüberwachung
ist auf eine definierte Wellenlänge
eingestellt oder auf Gruppen von Wellenlängen. Zu diesem Zweck wird
das Fabry-Perot-Filter in einem optischen Arm abgestimmt, und in
dem anderen optischen Arm wird das Referenzniveau durch absichtliche
Abschwächung des
Signals eingestellt. Der bekannte Stand der Technik ist auch detailliert
in den
1 bis
3 beschrieben. Jedoch stellt
dies ein kompliziertes Verfahren und eine entsprechende Überwachung
dar. Abstimmbare Fabry-Perot-Filter sind mechanisch empfindlich
und können
nicht in ein Modul mit geeigneten kleinen strukturellen Dimensionen
integriert werden.
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Auch
ist der Einfallswinkel des optischen Strahls eine empfindliche Größe. Es ist
aus der
US 4,998,256 bekannt,
das Etalon für
eine bessere Einstellung der zentralen Wellenlänge der Wellenlängenüberwachung
vor dem optischen Strahl zu drehen. Diese Art der Einstellung innerhalb
einer geringen Toleranzbandbreite ist in einer industriellen Umgebung
schwierig zu erreichen. Wieder ist diese Art der Lösung eine
Lösung
mit hohen Kosten, welche keinen Anhaltspunkt für ein preiswertes Produkt liefert.
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EP 0 818 859 offenbart eine
Wellenlängenüberwachungsvorrichtung,
die den divergenten Ausgang von einer Laserdiode filtert, wobei
ein Fabry-Perot-Etalon verwendet wird. Die Abschwächung des
gefilterten Ausgangs wird durch Drehen des Fabry-Perot-Etalons kalibriert.
Der gefilterte Ausgang wird dann an unterschiedlichen räumlichen
Orten durch zwei Fotodioden überwacht.
Die Fotodioden sind kalibriert, so daß die Differenz zwischen den
Signalen von je der Fotodiode bei der Betriebswellenlänge einer
Laserquelle Null ist. Nach der Kalibrierung verursacht eine Änderung
der Betriebswellenlänge
der Laserquelle eine von Null verschiedene Differenz zwischen den
Signalen von jeder Fotodiode, was eine Wellenlängenänderung anzeigt.
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Wie
in der folgenden Beschreibung dargelegt, wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
5 beansprucht.
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Der
Vorteil der Wellenlängenüberwachung und
des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist, daß es leicht
möglich
ist, die Überwachung
durch gegeneinander Bewegen von Funktionsbausteinen mit verschiedenen
Komponenten an verschiedene Wellenlängen anzupassen. Hier wird
ein Wellenlängenfilter verwendet,
das nicht abstimmbar ist und das daher eine verringerte Empfindlichkeit
in Bezug auf mechanische Probleme aufweist. Das Verfahren ermöglicht eine
optimale Anpassung für
eine Wellenlänge
in einem Befestigungsprozeß mit
einem zusätzlichen Schritt
des Fixierens der Funktionsbausteine in Bezug zueinander.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und im Detail
in der folgenden Beschreibung erklärt. Die Zeichnungen zeigen:
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1 stellt
eine Wellenlängenüberwachung gemäß dem Stand
der Technik dar,
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2 stellt
das Differenzsignal einer Wellenlängenüberwachung dar,
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3 stellt
das Fehlersignal einer Überwachung
gemäß dem Stand
der Technik dar,
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4 stellt
ein Fabry-Perot-Etalon dar,
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5 stellt
eine Änderung
der Fokussierlinse dar,
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6 stellt
schematisch eine erste Ausführungsform
einer Wellenlängenüberwachung
gemäß der Erfindung
dar und
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7 stellt
schematisch eine zweite Ausführungsform
einer Wellenlängenüberwachung
gemäß der Erfindung
dar.
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Eine
Wellenlängenstabilisierungsüberwachung 1 ist
schematisch in 1 dargestellt. Ein Strahlteiler 3 ist
mit einem optischen Eingang 2 verbunden. Der Strahlteiler 3 teilt
das Licht in zwei Arme. Der erste Ausgang des Strahlteilers 3 führt direkt
zu einer Fotodiode P1. Der zweite optische Ausgang des Strahlteilers 3 führt zu dem
Eingang eines Wellenlängenfilters 4,
dessen optischer Ausgang zu einer Fotodiode P2 führt. Die Fotodioden, deren
elektrische Verbindungen hier nicht gezeigt sind, liefern Fotoströme. Die
Fotodiode P1 liefert einen konstanten Referenzstrom I1 in
Bezug auf Änderungen
der Wellenlänge
des Lasers, dessen Licht auf den optischen Eingang 2 gegeben
wird. Als Folge des Wellenlängenfilters
liefert die Fotodiode P2 eine Filterfunktion 12 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge.
Die zwei Fotoströme
werden in Bezug auf ihre Differenz oder ihr Verhältnis analysiert und liefern
eine in 2 dargestellte Funktion. Der Schnittpunkt dieser
Funktionen ist durch die Auswahl eines Filters und/oder durch den
Referenzstrom auf die gewünschte
Wellenlänge
eingestellt. Es ist in 2 angedeutet, daß die Wellenlänge des
Lasers durch Erwärmen
oder Kühlen
des Lasers eingestellt werden kann, wodurch ein Schnittpunkt, der
noch nicht bei der exakten Wellenlänge liegt, verschoben werden kann.
Der Referenzstrom I1 muß einen Wert bereitstellen,
so daß das
Fehlersignal bei der erwünschten
einzustellenden Wellenlänge
Null wird. Das Fehlersignal wird dann verwendet, um die Lasertemperatursteuerungsstufe
zu betreiben. Wenn die Wellenlänge
zu kleineren Wellenlängen
driftet, kompensiert der Steuerschaltkreis dies durch Erwärmen des
Lasers. Wenn die Wellenlänge
zu größeren Wellenlängen driftet, kühlt der
Steuerschaltkreis den Laser. Wenn eine Wellenlängenüberwachung dieser Art für Wellenlängenmultiplexübertragungssysteme
verwendet wird, ist es wirkungsvoll, Wellenlängenfilter mit einer periodischen
Charakteristik auszuwählen.
Es ist bekannt, hierfür
Fabry-Perot-Filter zu verwenden. In dem einfachsten Fall verwendet
man z. B. ein Luftspalt-Fabry-Perot-Etalon als dispersives Element.
Die Verwendung eines Fabry-Perot-Etalons erlaubt es, die Periode
des Interferometers einzustellen, so daß sie dem Wellenlängenmuster
für das
Wellenlängenmultiplexen
entspricht. Die Fehlerkurve in dem Fall der Verwendung solch eines
periodischen Filters ist in 3 dargestellt.
Hier ist das Fehlersignal des periodischen Wellenlängenfilters
gegen die Wellenlänge aufgetragen.
Es ist ersichtlich, daß aufgrund
der periodischen Funktion der Wert "Null" immer
an dem Schnittpunkt zwischen Referenzsignal und Filterfunktion auftritt,
wodurch die gewünschten
Wellenlängen in
dem Abstand der freien spektralen Länge der Funktion eingestellt
werden können.
Auf diese Weise ist es möglich,
einen Laser bei verschiedenen Wellenlängen einzustellen. Dies reduziert
die Anzahl von verschiedenen durch einen Betreiber eines Wellenlängenmultiplexübertragungssystems
zu verwendenden unterschiedlichen Laser. Gemäß den Bestimmungen der International
Telecommunication Union (ITU) muß die Genauigkeit, mit der
die Wellenlängen eingestellt
werden, ein Zehntel des Kanalabstands zwischen den Wellenlängen betragen.
Daher sind Genauigkeitsniveaus mit Kanalabständen von 200 GHz zu erwarten.
Jedoch sind WDM-Systeme
mit wesentlich kleineren Kanalabständen für die Zukunft geplant, welche
die Anforderungen auf die Wellenlängenüberwachungen und die Steuerschaltkreise erhöhen werden.
Wird das in 3 dargestellte Verfahren zur
Wellenlängenstabilisierung
betrachtet, so ist offensichtlich, daß es, wenn der Kanalabstand zwischen
individuellen Wellenlängen
reduziert wird, notwendig ist, die Periode des Fabry-Perot-Etalons anzupassen.
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4 zeigt
ein Etalon mit zwei Platten 5 und einen Luftspalt der Länge L zwischen
diesen. Die optische Achse 6 ist senkrecht zu den Platten 5.
Um Rückreflektionen
in den Laserresonator zu verhindern, weist der einfallende Strahl 4 einen
Winkel θ zwischen
der senkrechten Achse und dem Strahl 4 auf.
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Die
Winkelabhängigkeit
der transmittierten Wellenlänge λ
m bei
maximaler Transmission in einem in
4 beschriebenen
Etalon ist gegeben durch
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Dies
bedeutet, daß bei λm =
1,55 μm
und θ = 2° die Winkelabhängigkeit
der Wellenlänge –1 nm/° beträgt.
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Um
die erforderliche Präzision
bei der Mittenwellenlänge
zu erreichen, sind die Toleranzen für die Winkelanordnung des Strahls
sehr eng. Zum Beispiel wird bei λm = 1,55 μm
und θ =
2°, a ± 30 pm
an Präzision
der Zentralwellenlänge
eine Präzision
des Einfallswinkels besser als ± 0,03° benötigt.
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Die
einfachste Möglichkeit,
die erfindungsgemäßen Ideen
anzuwenden, ist es, zwei Funktionsbausteine zu realisieren. Jeder
von Ihnen enthält
eine Anzahl der zuvor aufgezählten
Elemente, die passiv an den Funktionsbausteinen befestigt werden
(z. B. durch Löten
oder Kleben). Die Linse und die Laserdiode müssen auf getrennten Funktionsbausteinen
liegen, um die dynamische Anpassung zu ermöglichen.
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Es
ist offensichtlich, daß die
Zeichnungen nur Verschiebungen entlang der x-Achse zeigen. Der gleiche
Effekt könnte
durch Verschiebungen entlang der y-Achse erreicht werden. Die z-Achse
wird verwendet, um die Kollimation der Linse einzustellen.
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Eine
Möglichkeit,
den Einfallswinkel eines Strahls zu verändern, ist in 5 dargestellt.
Eine Kollimationslinse 8 ist in den Emissionspfad der Laserdiode 7 eingebaut.
Der Abstand zwischen dem Brennpunkt der Linse und der Laserdiode
ist die Brennweite f. Der resultierende Strahl ist parallel, wenn
Laser und Linse ausgerichtet sind. In 5b) ist
die Kollimationslinse 8 senkrecht zu der optischen Achse
um einen Abstand d verschoben. Dies führt zu einer Winkelabweichung
von Φ.
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6 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Erfindung. Die Wellenlängenüberwachung
ist auf zwei unterschiedlichen Funktionsbausteinen 12 und 13 befestigt.
Der Fuktionsbaustein 12 weist die Laserdiode 7,
das dispersive Element 9 und die zwei Fotodioden, die Wellenlängenüberwachungsdiode 10 und
die Leistungsüberwachungsfotodiode 11 auf. Der
Funktionsbaustein 13 weist die Kollimationslinse 8 auf.
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In
den Zeichnungen wird die Strahlaufteilung durch räumliches
Teilen erreicht. Andere Mittel, um die Aufteilung durchzuführen (Strahlteilerwürfel, Teilerplatten
...) könnten
ebenfalls verwendet werden. Der Typ des dispersiven Elements ist
ebenfalls nicht präzisiert,
da es ein Fabry-Perot-Etalon oder ein Interferenzfilter sein kann.
In der Tat könnten
alle Wellenlängenfilter
passen, so lange sie eine ausreichende spektrale Empfindlichkeit
gegenüber
dem Einfallswinkel des Eingangsstrahls aufweisen.
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Die 6b zeigt die Änderungen, die durch Bewegen
des Bausteins 12 in Bezug auf den Baustein 13 hervorgerufen
werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung ist in 7 gegeben.
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Es
werden zwei mit 14 und 15 bezeichnete Funktionsbausteine
verwendet. Der Funktionsbaustein 14 weist die Kollimationslinse 8,
das dispersive Element 9, die Wellenlängenüber wachungsfotodiode 10 und
die Leistungsüberwachungsfotodiode 11 auf. Auf
dem Funktionsbaustein 15 ist nur die Laserdiode 7 befestigt.
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7b zeigt die Änderung, welche durch Bewegen
des Funktionsbausteins 14 relativ zu dem Baustein 15 hervorgerufen
wird.
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Das
Verfahren, welches verwendet wird, um die Wellenlängenüberwachung
einzustellen, beginnt in der rechten Position mit zwei Funktionsbausteinen, wobei
mindestens einer von diesen bewegbar auf einer Bodenplatte befestigt
ist. Die Laserdiode ist so mit dem Treiberschaltkreis verbunden,
daß sie
arbeitet. Der Laserstrahl wird durch die Fotodioden und den verbundenen
elektronischen Schaltkreis analysiert. Das Verfahren zum Analysieren
des elektrischen Signals der Fotodioden ist nicht der Kern der Erfindung.
Diese Analyse kann auf eine Weise ausgeführt werden, die im Stand der
Technik, z. B. der
US 4,583,228 ,
beschrieben ist. Diese Messungen zeigen, daß es notwendig ist, die Funktionsbausteine gegeneinander
zu bewegen. Die Funktionsbausteine werden vorsichtig bis zu einer
Position bewegt, in der die Signale der Fotodioden ein perfektes
Nulldurchgangssignal bei der gewünschten
Wellenlänge
zeigen. Dann werden die Funktionsbausteine auf der Bodenplatte oder
aneinander befestigt. Die Befestigung kann z. B. durch Laserschweißen, wobei
ein YAG-Laser verwendet wird, oder irgendein anderes Befestigungsverfahren
erfolgen.
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Die
oben beschriebenen Funktionsbausteine können aus irgendeinem Material
hergestellt sein, das für
optoelektronische Komponenten verwendet wird. Es können z.
B. metallische Materialien (wie z. B. Kovar, Invar, ....), Silizium,
Glas. Keramiken, ... sein.
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Die
Funktionsbausteine sind auf einer Bodenplatte aus einem Material
montiert, das verwendet werden kann, um den Funktionsbaustein nach
einer Einstellung zu fixieren. Die Bodenplatte kann die gleichen
Materialien wie die Funktionsbausteine verwenden (was es ermöglicht,
den thermischen Ausdehnungskoeffizienten anzupassen). In vielen
Fällen können es
auch die Keramiken eines Peltier-Kühlers sein.
