DE3542090A1 - Method and circuit for automatic start-up of a wavelength-stabilized semiconductor laser - Google Patents
Method and circuit for automatic start-up of a wavelength-stabilized semiconductor laserInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Lasers gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie auf eine Schaltung zur Ausübung dieses Verfahrens.The present invention relates to a method for commissioning a laser according to the generic term of Claim 1 and a circuit for exercising this Procedure.
Es ist bekannt, die Wellenlänge eines Lasers durch geeignete Maßnahmen wie Regelung der Betriebstemperatur und/oder des Laserstromes konstant zu halten. Hierbei wird manuell eine gewünschte Laserwellenlänge eingestellt und bei Erreichen derselben auf eine automatische Regelung umgeschaltet. Dies bedeutet einen nicht unbeachtlichen Aufwand insbesondere eine genaue Beobachtung der Betriebszustände.It is known to use a suitable wavelength for a laser Measures such as regulation of the operating temperature and / or to keep the laser current constant. Here will manually set a desired laser wavelength and on reaching an automatic regulation switched. This means a not insignificant Effort especially a precise observation of the operating conditions.
Die Erfindung befaßt sich daher mit der Aufgabe, bei einem Laser die Lasersollwellenlänge automatisch einstellen zu können und diese innerhalb geringster Toleranzen konstant zu halten. Die relative Wellenlängenstabilität sollte dabei besser als 10-9 sein.The invention is therefore concerned with the task of being able to automatically set the desired laser wavelength in a laser and to keep it constant within the smallest tolerances. The relative wavelength stability should be better than 10 -9 .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6 angegebenen Verfahrens- bzw. Schaltungsmerkmale erreicht. Hierdurch kann der Laser nach Anschalten desselben automatisch auf die Betriebswellenlänge eingestellt und anschließend mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß bei Auftreten eines Modensprunges, der durch unvorhersehbare Einflüsse immer wieder einmal auftreten kann, automatisch wieder der stabile Bereich gefunden wird und dann die Wellenlänge wieder stabilisiert wird.This object is achieved by the in the license plate of claim 1 or claim 6 specified Process or circuit features achieved. Hereby the laser can turn on automatically when it is switched on set the operating wavelength and then with high accuracy are kept constant. Of particular The advantage here is that when a fashion jump occurs, that due to unpredictable influences again and again once can occur, the stable again automatically Range is found and then the wavelength again is stabilized.
Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß bei Auftreten von Modensprüngen gegenüber dem Laserbereich, in dem keine Modensprünge auftreten, im Zusammenwirken mit einem Fabry-Perot-Interferometer ein höherer Rauschpegel auftritt. Ferner wird die Tatsache herangezogen, daß bei Modulation der Laserwellenlänge bzw. der Wellenlängenreferenz in einem relativ kleinen Bereich, in dem die Laserwellenlänge annähernd (oder genau) mit der Filtermittenwellenlänge eines Fabry-Perot-Interferometers (Referenzelement) übereinstimmt, die zweite Harmonische der Modulationsfrequenz deutlich erkennbar und detektierbar ist. Weiterhin ist davon Gebrauch gemacht, daß bei Übereinstimmung der Laserwellenlänge mit der Filtermittenwellenlänge die Grundwelle der Modulationsfrequenz verschwindet, bei geringen Abweichungen jedoch die positive oder negative Abweichung detektierbar ist.The basis of the invention is the knowledge that when it occurs of mode jumps compared to the laser area in which no fashion jumps occur in cooperation with one Fabry-Perot interferometer a higher noise level occurs. The fact that modulation the laser wavelength or the wavelength reference in a relatively small area where the laser wavelength approximately (or exactly) with the filter center wavelength a Fabry-Perot interferometer (reference element) agrees, the second harmonic of the modulation frequency is clearly recognizable and detectable. Furthermore is made use of that if the laser wavelength matched with the filter center wavelength the fundamental wave the modulation frequency disappears with slight deviations however, the positive or negative deviation is detectable is.
Vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschrieben.Advantageous details of the invention are in the subclaims specified and below using the in the Drawing illustrated embodiments described.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 das Spektrum eines Monomodelasers Fig. 1 shows the spectrum of a single-mode laser
Fig. 2 die Abhängigkeit der zentralen Wellenlänge des Monomodelasers von der Temperatur mit dem Laser- Betriebsstrom als Parameter Fig. 2 shows the dependence of the central wavelength of the single-mode laser on the temperature with the laser operating current as a parameter
Fig. 3 die Fabry-Perot-Transmission des Filters als Funktion der Wellenlänge, Fig. 3 shows the Fabry-Perot transmission of the filter as a function of wavelength,
Fig. 4 eine Fabry-Perot-Mode wie in Fig. 3, jedoch mit 20-facher Auflösung Fig. 4 shows a Fabry-Perot mode as in Fig. 3, but with 20 times the resolution
Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Ausübung des Verfahrens. Fig. 5 is a basic circuit diagram for practicing the method.
Fig. 1 zeigt das typische Spektrum eines Monomodelasers, wobei der relative Leistungsanteil der Zentralmode dominiert. Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der zentralen Laserwellenlänge λ von den Lasereingangsparametern, dem Strom I o und der Temperatur T. Betrachtet man das Verhalten der zentralen Wellenlänge zunächst bei einem konstanten Strom, so erkennt man den anfangs stetigen Verlauf der Wellenlänge als Funktion der Temperatur. Bei Erreichen eines bestimmten Temperaturwerts erfolgt ein Modensprung, so daß der bisherige Hauptmodus bei λ verschwindet, und der nächst höhere Modus bei λ +1 wird dominant (siehe Fig. 1). Verändert man zusätzlich den Strom, so finden die Modensprünge bei anderen Temperaturen statt. Bei höheren Strömen wird die Kurve zu niedrigeren Temperaturen verschoben. Fig. 1 shows the typical spectrum of a single-mode laser, wherein the relative power contribution of said central mode dominates. Fig. 2 shows the dependence of the central laser wavelength λ of the laser input parameters, the current I o and the temperature T. If you first consider the behavior of the central wavelength at a constant current, you can see the initially constant course of the wavelength as a function of temperature. When a certain temperature value is reached, a mode jump takes place, so that the previous main mode at λ disappears and the next higher mode at λ +1 becomes dominant (see FIG. 1). If you also change the current, the mode jumps take place at different temperatures. At higher currents, the curve is shifted to lower temperatures.
Kommt die Wellenlänge in die Nähe eines benachbarten Modus, so ergibt sich eine Bereich (nicht nur ein Punkt), in dem ein Modensprung in den benachbarten Modus stattfindet. Sie bleibt jedoch nicht dort, sondern springt wieder zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis innerhalb des nächsten Modus der Sprungbereich wieder verlassen wird (siehe Fig. 2). If the wavelength comes close to an adjacent mode, there is an area (not just a point) in which a mode jump to the adjacent mode takes place. However, it does not stay there, but jumps back again. This process is repeated until the jump area is left again in the next mode (see FIG. 2).
Fig. 3 zeigt die Transmissionsfunktion (Filterfunktion) eines als Referenzelement verwendeten Fabry-Perot-Interferometers, im folgenden mit FPI bezeichnet, das als Wellenlängenreferenz verwendet wird. Im Bereich maximaler Transmission läßt sich die Transmissionsfunktion durch eine trigonometrische Funktion approximieren (siehe Fig. 4): wobei Fig. 3 shows the transmission function (filter function) of a Fabry-Perot interferometer used as a reference element, hereinafter referred to as FPI, which is used as a wavelength reference. In the area of maximum transmission, the transmission function can be approximated by a trigonometric function (see FIG. 4): in which
τ max :maximale Transmission des FPIλzentrale LaserwellenlängeλWellenlänge bei maximaler Transmission des FPIΔλ F Halbwertbreite der Filterfunktion τ max : maximum transmission of the FPI λ central laser wavelength λ wavelength at maximum transmission of the FPI Δλ F half-width of the filter function
Zur Realisierung eines Modulationsverfahrens wird die Laserwellenlänge
relativ zum Referenzelement (FPI) sinusförmig
moduliert. Nach Durchlaufen des Laserlichts erhält
man im modensprungfreien Fall an einem betragquadrierenden
Detektor folgendes Signal U (λ):
wobei
I γ : Besselfunktionen erster Art der Ordnung γ.
To implement a modulation method, the laser wavelength is modulated sinusoidally relative to the reference element (FPI). After passing through the laser light, the following signal U ( λ ) is obtained in a mode jump-free detector: in which
I γ : Bessel functions of the first kind of order γ .
Aus (2) folgt, daß U ω (λ) für λ-λ = 0 einen Nulldurchgang besitzt. Mit Hilfe dieser Meßgröße läßt sich somit ein Regelkreis aufbauen, der beim Auftreten von Differenzen zwischen der Laser- und Filterwellenlänge dafür sorgt, daß diese zu Null geregelt werden. Treten jedoch Modensprünge auf, so werden den modulationsbedingten Frequenzkomponenten weitere überlagert, die durch das nichtlineare Verhalten der Laserwellenlänge bedingt sind: ω s :Sprungfrequenz l, k:ganze natürliche Zahl Δτ:Differenz der Transmission vor bzw. nach einem ModensprungFrom (2) it follows that U ω ( λ ) has a zero crossing for λ - λ = 0. With the aid of this measured variable, a control loop can thus be set up which, when differences occur between the laser and filter wavelengths, ensures that these are regulated to zero. However, if mode jumps occur, the modulation-related frequency components are superimposed, which are caused by the non-linear behavior of the laser wavelength: ω s : jump frequency l, k : integer natural number Δτ : difference in transmission before or after a mode jump
Die Zeitdifferenz Δ t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Modensprüngen unterliegt statistischen Prozessen des Halbleiterlaser.The time difference Δ t between two successive mode jumps is subject to statistical processes of the semiconductor laser.
Dies führt zu Frequenzkomponenten (l ω s ), die sowohl niedrige als auch hohe Frequenzanteile aufweisen. Die modulationsbedingten Frequenzkomponenten werden bei höheren Frequenzen, bedingt durch die abnehmenden Werte der Besselfunktionen höherer Ordnung (vergl. (2)), stark unterdrückt. In diesem Frequenzbereich dominieren daher die modensprungbedingten Anteile. Durch Verwendung eines Hochpasses ist es somit möglich, einen Schwellendetektor zu realisieren, der als Modensprungdiskriminator arbeitet. Bei Auftreten von Modensprüngen wird die Temperatur des Lasers so lange variiert bis diese wieder verschwinden.This leads to frequency components ( l ω s ) which have both low and high frequency components. The modulation-related frequency components are strongly suppressed at higher frequencies due to the decreasing values of the higher-order Bessel functions (cf. (2)). In this frequency range, the mode jump-related components dominate. By using a high pass it is thus possible to implement a threshold detector which works as a mode jump discriminator. When mode jumps occur, the temperature of the laser is varied until it disappears.
Es kann jedoch sein, daß damit gerade eine Laserwellenlänge eingestellt wird, die außerhalb des Fangbereichs der Wellenlängenstabilisierung liegt, z. B. t (λ) = τ min (siehe Fig. 3). Um dies zu verhindern, wird nun der Laserstrom so lange variiert, bis ein weiterer Detektor ein Signal bei der doppelten Modulationsfrequenz erkennt (vergl. (2): U ω (λ)), das einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.However, it may be that a laser wavelength is being set that lies outside the capture range of the wavelength stabilization, e.g. B. t ( λ ) = τ min (see Fig. 3). In order to prevent this, the laser current is varied until a further detector detects a signal at twice the modulation frequency (cf. (2): U ω ( λ )) that exceeds a predetermined threshold value.
Ist dies bei gleichzeitiger Modensprungfreiheit der Fall, so kann die Wellenlängenstabilisierung in Betrieb genommen werden.If this is the case with freedom from fashion jumps, so the wavelength stabilization can be put into operation will.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des Schaltungsprinzips der Fig. 5 näher beschrieben.The invention is described in more detail below on the basis of the circuit principle of FIG. 5.
Mit 1 ist ein Laser bezeichnet, dessen Temperatur durch zwei Peltierelemente 2, 3 einstellbar ist und mit einer Genauigkeit von beispielsweise 10-3 Kelvin konstant gehalten wird. Jedes Peltierelement 2, 3 ist mit einer Bohrung versehen. Durch die eine derselben tritt der Arbeitslaserstrahl 4 aus und kann in eine Monomodefaser eingekoppelt werden. Durch die andere Bohrung tritt nach rückwärts ein Laserstrahl 5 aus. Über den Betriebsstrom I o bzw. über die Temperatur des Lasers ist dieser auf eine gewünschte Leitung und Wellenlänge einstellbar und regelbar. 1 denotes a laser, the temperature of which can be set by two Peltier elements 2, 3 and is kept constant with an accuracy of, for example, 10 -3 Kelvin. Each Peltier element 2, 3 is provided with a bore. The working laser beam 4 emerges through one of them and can be coupled into a single-mode fiber. A laser beam 5 emerges backwards through the other hole. The operating current I o or the temperature of the laser can be set and regulated to a desired line and wavelength.
Der rückwärtige Laserstrahl 5 wird durch ein als Referenzelement dienendes Fabry-Perot-Interferometer 6 geleitet, dem ein optoelektrischer Detektor 7 nachgeschaltet ist. Das FPI 6 kann vorzugsweise als integriert optischer Resonator ausgebildet sein und er kann so ausgebildet sein, daß seine Durchlaßfilterkurve über zwei Steuerelektroden St (in der Zeichnung gestrichelt dargestellt) zu höheren oder niedrigeren Wellenlängen hin verschoben werden kann. The rear laser beam 5 is passed through a Fabry-Perot interferometer 6 serving as a reference element, which is followed by an optoelectric detector 7 . The FPI 6 can preferably be designed as an integrated optical resonator and it can be designed such that its pass filter curve can be shifted to higher or lower wavelengths via two control electrodes St (shown in dashed lines in the drawing).
Über einen Frequenzgenerator f, der eine sinusförmige Modulationsspannung U ω mit der Modulationsfrequenz l erzeugt, kann der Betriebsstrom I o des Lasers 1 und damit auch die Wellenlänge der Laserstrahlen 4 und 5 moduliert werden. Im Falle der Verwendung eines intergriert optischen Resonators wird nur durch Ansteuerung der Steuerelektroden St desselben moduliert. Der Laserteilstrahl 4 bleibt dabei unverändert.The operating current I o of the laser 1 and thus also the wavelength of the laser beams 4 and 5 can be modulated via a frequency generator f , which generates a sinusoidal modulation voltage U ω with the modulation frequency l . In the case of the use of an integrated optical resonator, modulation is only carried out by driving the control electrodes St thereof. The laser partial beam 4 remains unchanged.
Das aus dem optoelektrischen Detektor 7 ausgegebene elektrische Steuersignal 9 enthält außer dem durch den Laserteilstrahl 5 erzeugten Gleichanteil auch noch die Grundwelle der Modulationsfrequenz ω und die noch gut ausgeprägte Harmonische 2ω, sowie weitere Harmonische der Modulationsfrequenz ω, deren Amplitude mit zunehmender Frequenz kleiner wird.The electrical control signal 9 output from the optoelectric detector 7 contains, in addition to the direct component generated by the laser partial beam 5 , also the fundamental wave of the modulation frequency ω and the still well-defined harmonic 2 ω , as well as further harmonics of the modulation frequency ω , the amplitude of which decreases with increasing frequency.
Das Steuersignal 9 wird einem Hochpaß 10, der Teil eines ersten Regelkreises 11 ist, einem Schwellwertdetektor 12, der Teil eines zweiten Regelkreises 13 ist, und einem Lock- in-Verstärker 14, der Teil eines dritten Regelkreises 15 ist, zugeführt.The control signal 9 is supplied to a high-pass filter 10 , which is part of a first control loop 11 , a threshold detector 12 , which is part of a second control loop 13 , and a lock-in amplifier 14 , which is part of a third control loop 15 .
Dem Hochpaß 10 des ersten Regelkreises 11 ist eine erste Auswerteschaltung 16 nachgeschaltet, die einen insbesondere breitbandigen, den Rauschpegel verstärkenden Verstärker 17, evtl. einen Tiefpaß 18, einen Schwellwertdetektor 19 und einen ersten Komparator 20 enthalten kann. Dieser Regelkreisabschnitt des Regelkreises 11 detektiert aus dem Steuersignal 9 den Rauschpegel, der stets vorhanden ist und der im Laserwellenbereich 21, in dem ein Modensprung auftritt, wesentlich höher ist als im modensprungfreien Bereich 22 (vgl. Fig. 2). Durch die erste Auswerteeinrichtung 16 wird ein erstes Steuersignal 23, z. B. ein high-Pegel, dann ausgegeben, wenn ein Modensprung auftritt, der Laser also in einem Modensprungbereich 21 arbeitet. In einem nachgeschalteten Integrator 24 wird daraus eine ansteigende Spannung U 1 erzeugt, die über einen Temperaturregler 25 die Lasertemperatur kontinuierlich erhöht, bis der Laser 1 in einen modensprungfreien Bereich 22 (vgl. Fig. 2) kommt. Da hierbei der Rauschpegel im Steuersignal 9 stark abnimmt, wird am Ausgang der ersten Auswerteeinrichtung 16 ein entsprechendes verändertes Steuersignal, z. B. ein low-Pegel ausgegeben. Dadurch kann der Integrator 24 keine ansteigende Spannung U 1 mehr liefern und der Temperaturregler 25 regelt die zuletzt vorhandene Temperatur konstant auf beispielsweise 10-3 Kelvin genau.The high-pass filter 10 of the first control circuit 11 is followed by a first evaluation circuit 16 , which can contain a broadband amplifier 17 which amplifies the noise level, possibly a low-pass filter 18 , a threshold value detector 19 and a first comparator 20 . This control loop section of the control loop 11 detects from the control signal 9 the noise level which is always present and which is substantially higher in the laser wave region 21 in which a mode jump occurs than in the mode jump-free area 22 (cf. FIG. 2). By the first evaluation device 16 a first control signal 23, z. B. a high level, then output when a mode change occurs, that is, the laser works in a mode change area 21 . In a downstream integrator 24 , an increasing voltage U 1 is generated therefrom, which continuously increases the laser temperature via a temperature controller 25 until the laser 1 comes into a region 22 free of mode jump (cf. FIG. 2). Here, since the noise level in the control signal 9 decreases sharply, at the output of the first evaluation unit 16 a corresponding altered control signal z. B. output a low level. As a result, the integrator 24 can no longer supply an increasing voltage U 1 and the temperature controller 25 regulates the last temperature constant to an accuracy of, for example, 10 -3 Kelvin.
Zugleich wird der Pegel des ersten Steuersignals 23 an den einen Eingang 26 eines ersten Verknüpfungsgliedes 27, hier ein NOR-Gatters, und den einen Eingang 28 eines zweiten Verknüpfungsgliedes 29 angelegt.At the same time, the level of the first control signal 23 is applied to one input 26 of a first logic element 27 , here a NOR gate, and to one input 28 of a second logic element 29 .
Über den Schwellenwertdetektor 12 des zweiten Regelkreises 13 gelangt das Steuersignal 9 an eine zweite Auswerteeinrichtung 30, die einen auf die zweite Harmonische mit der Frequenz 2ω ansprechenden Lock-in-Verstärker 31 und einen zweiten Komparator 32 enthält. Die zweite Auswerteeinrichtung 30 gibt ein zweites Steuersignal 31, z. B. einen low-Pegel aus, wenn keine zweite Harmonische vorhanden ist und einen high-Pegel wenn diese detektiert wird. Das daraus gewonnene zweite Steuersignal 33 wird dem zweiten Eingang 34 des ersten Verknüpfungsgliedes 27 zugeleitet. Solange an beiden Eingängen 26 und 34 des ersten Verknüpfungsgliedes 27 ein low-Pegel anliegt, gibt dieses einen high-Pegel aus. Daraus erzeugt ein angeschlossener Integrator 35 mit einem parallel geschalteten Schmitt- Trigger 36 einen dreieckigen Spannungsverlauf, der einer ersten Regeleinrichtung 37 zugeführt wird. Über letztere wird der Betriebsstrom I o abwechselnd kontinuierlich erhöht und gesenkt. Hierdurch wird ein kleiner Bereich innerhalb des modensprungfreien Bereiches 22 durchfahren. Tritt nun in diesem Bereich die zweite Harmonische auf, dann springt das zweite Steuersignal 33 von low auf high. Dadurch geht auch der Ausgang des ersten Verknüpfungsgliedes 27 auf "low" und die Änderung des Betriebsstromes I o durch ein Steuersignal wird gestoppt und diese erste Regeleinrichtung 37 gibt kein Änderungssignal mehr ab.Via the threshold value detector 12 of the second control circuit 13 , the control signal 9 reaches a second evaluation device 30 which contains a lock-in amplifier 31 which responds to the second harmonic with the frequency 2ω and a second comparator 32 . The second evaluation device 30 outputs a second control signal 31 , e.g. B. from a low level when there is no second harmonic and a high level when it is detected. The second control signal 33 obtained therefrom is fed to the second input 34 of the first logic element 27 . As long as a low level is present at both inputs 26 and 34 of the first logic element 27 , this outputs a high level. From this, a connected integrator 35 with a Schmitt trigger 36 connected in parallel generates a triangular voltage curve which is fed to a first control device 37 . The operating current I o is alternately continuously increased and decreased via the latter. As a result, a small area is traversed within the area 22 free of mode jump. If the second harmonic occurs in this area, then the second control signal 33 jumps from low to high. As a result, the output of the first logic element 27 also goes to "low" and the change in the operating current I o by a control signal is stopped and this first control device 37 no longer emits a change signal.
Zugleich wird der Pegel des zweiten Steuersignals 23 an den anderen Eingang 38 des zweiten Verknüpfungsgliedes 29 geleitet. Dies schaltet auf "high", wenn am ersten Eingang 28 das erste Steuersignal 23 auf "low" liegt, d. h. einen modensprungfreien Bereich 22 signalisiert und zugleich das zweite Steuersignal 23 auf "high" liegt, d. h. den Empfang der zweiten Harmonischen signalisiert. Hierdurch wird also ein Schaltsignal 39 erzeugt, das das Schaltglied 40 in Betriebszustand versetzt, d. h. über den Lock-in-Verstärker 14 und eine als PI-Regler 41 ausgebildete zweite Regeleinrichtung wird mittels des durch diesen erzeugten positiven oder negativen dritten Steuersignals 42 auf die genaue Laserwellenlänge geregelt, indem die Abweichung der Grundwelle der Laserwellenlänge von der Filtermittenwellenlänge durch eine zweite Regeleinrichtung 42 über die Einstellung des Laser-Betriebsstromes I o zu Null geregelt wird.At the same time, the level of the second control signal 23 is passed to the other input 38 of the second logic element 29 . This switches to "high" when the first control signal 23 is at "low" at the first input 28 , ie signals a mode jump-free area 22 and at the same time the second control signal 23 is at "high", ie signals the receipt of the second harmonic. In this way, a switching signal 39 is thus generated which puts the switching element 40 in the operating state, that is to say via the lock-in amplifier 14 and a second control device designed as a PI controller 41 , by means of the positive or negative third control signal 42 generated by it The laser wavelength is regulated by regulating the deviation of the fundamental wave of the laser wavelength from the filter center wavelength by means of a second control device 42 via the setting of the laser operating current I o to zero.
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