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Frequenzdurchstimmbare Halbleiterlaser für die Absolute

Distanzinterferometrie

Th. Kinder, D. Guckenburg, T. Müller, K.-D. Salewski

Ernst-Moritz-Arndt-Universität GreifswaldInstitut für Physik / Angewandte Physik

104. Jahrestagung der DGaO 10. - 14 Juni 2003

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Gliederung

1. Einleitung - was ist Absolute Distanzinterferometrie (ADI)?

2. Anforderungen an die Laser

3. Non - AR - Laserdioden im Littrow - Resonator

4. DBR - Laserdioden

5. Linearisierung durch Regelung

6. Meßergebnisse der ADI

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1. Absolute Distanzinterferometrie... ... mit variabler Laser - Wellenlänge

Interferometersignal:

- opt. Frequenz, D - Wegdifferenz, c - Lichtgeschwindigkeit.

I = Io (1 + cos )

mit = 2 D/c

• Aufhebung der Mehrdeutigkeit mittels Frequenzdurchstimmung:D = / 2 c

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2. Warum lineare Durchstimmung?„linear“ heißt:

Signalfrequenz: f0 = / 2 = · d/dt = const.•

schmalbandige Signaldetektion

Besseres Signal - Rausch - Verhältnis

Weitere Vorteile: siehe

Poster 14

d/dt = const.

f

P

f0

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Anforderungen an den Laser

• Single-Mode-Betrieb• modensprungfrei• großer Durchstimmbereich >100 GHz• lineare Frequenzdurchstimmung• Wiederholrate > 100 Hz• konstante Laserleistung

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Non-AR-LD im Littrowresonator

Gitterdrehpunkt

ILD

Piezokeramik

Linse

Bisherige Nachteile:• Strom- u. Leistungs- modulation bei Frequenzdurchstimmung!• Beschränkung auf nutzbares Stromintervall

(System gekoppelter Resonatoren)

Vorteile:• geringer Aufwand und Preis • Frequenzselektion durch internen Resonator• schnelle Modulation über Frequenzzieheffekt

Verstärkungsprofil

Gitterselektion

Externe Moden

Interne Moden

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Neu: Thermische Modulation

Temperaturkoeffizient:40 GHz / K

(anstelle der Strommodulation)

5,6mm

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Laserdiode mit ohmscher Heizung

Bisher erreichte Durchstimmparameter:

• linearer Durchstimmbereich: 37 GHz• Wiederholperiode/-frequenz : 5 sec / 0,2 Hz• bestimmende Zeitkonstante: 1,3 sec• Leistungsmodulation 5%

(vorher: 40%)

D. Guckenburg: Diplomarbeit, 2003: http://www2.physik.uni-greifswald.de

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Ausblick

Bestrahlung des Halbleiters mit einer 10 mW Laserdiode

Nur noch Wärmekapazität des Diodenchips: Verringerung der Zeit-konstanten

Poster 15

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DBR - Laserdioden

Schichtaufbau (Heterostruktur) einer DBR-DiodeQuelle: FBH Berlin

(Distributed Bragg-Reflector)

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DBR - Laserdioden

Schematischer Aufbau einer DBR-DiodeQuelle: FBH Berlin

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DBR - Laserdioden

Diskretisierung des Diodenvolumens

Numerische Lösung der Wärmeleitungsgleichung (Finite Differenzen)

Räumliche Temperaturverteilung (Simulation)

Laseraktive Zone (gestrichelt)

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DBR - LaserdiodenThermisches Ersatzschaltbild(Zwei-Schichten-Modell)

P(t) LeistungC1 Wärmekapazität der HeizungR1 WärmeübergangswiderstandC2 Wärmekapazität der SektionR2 Wärmeübergangswiderstand

zur Wärmesenke (Substrat)Elektrische Ansteuerung Frequenzantwort der DBR - Diode

Relative Änderung derDurchstimmgeschw.

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DBR - Laserdioden

Bisher erreichte Durchstimmparameter:

• linearer Durchstimmbereich: >100 GHz• Wiederholfrequenz: 100 Hz• bestimmende Zeitkonstante: 600 µsec

T. Müller: Diplomarbeit, 2003: http://www2.physik.uni-greifswald.de

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Linearisierung durch Regelung

x1

d/dt

Littrow-ECDL mitNon-AR-Laserdiode

HV -Verstärker

PID-Regler

cos

sin

Interferometer

Oszillatoren

99%

1%

UX

UY

UX0

UY0Tiefpaß

Strom-controller

-1

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Linearisierung durch Regelung

Linearität:

= +0.01 (ungeregelt)

= +10-3...10-4 (geregelt)

bei = 100GHz in 0,37sec

.. ..

Durchstimmgeschwindigkeit d /dt

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5. Derzeitiger ADI-Aufbau

60 cm x 90 cm

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Meßergebnisse der ADI

Streuung der Einzelwerte : = 8µm + D ·10-6