Untersuchungen zu einem temperaturkompensierten Wellenlängensensor auf der Basis protonenausgetauschter Wellenleiter in Lithium-Niobat

Grusemann, Ulrich GND

Abstract The availability of compact and cheap laser sources as laser diodes and diode pumped solid state lasers enables the successful application of optical measurement- and control-systems in almost all scopes of daily live. In a lot of high resolution optical measurement systems interferometric principles are used. A common problem of these applications is the wavelength stability of the light source. Usually the passive stabilisation of the laser diode parameter temperature and current is not sufficient for high resolution optical measurement systems and therefore an active stabilisation of wavelength is necessary. Core of a wavelength stabilisation unit is a wavelength sensor, for example a Fabry-Perot-resonator, a fiber-bragg-grating or an unbalanced dual- trace-interferometer. Prerequisite for the proper function of the wavelength stabilisation unit is the mechanical and in particular the thermal stability of the wavelength sensor. Subject of this thesis is an integrated optical wavelength sensor based on an unbalanced dual-trace-interferometer in a dielectric crystal with an internal compensation of the temperature dependence of the interference phase. For the realisation the electro-optic material lithium-niobate (LiNbO3) and the waveguide fabrication technique of annealed proton exchange were used. The compensation of thermally induced phase shifts was achieved by the combination of annealed proton-exchanged (APE) waveguides and not annealed proton-exchanged (PE) waveguides. The negative thermooptic coefficient of the PE-waveguide in contrast to the positive thermooptic coefficient of the APE-waveguide allows the thermooptic compensation of phase shifts in an unbalanced Mach-Zehnder- Interferometer by the insertion of a PE-waveguide segment in the longer interferometer arm. For the determination of the optimal PE-segment length the temperature dependence of the thermooptic coefficients of APE- and PE-waveguides of different fabrication parameters were measured. To maximize the coupling efficiency between the APE-waveguides of the interferometer structure and the PE-waveguide segment a collinear alignment of the PE-segment in the longer interferometer arm was necessary. A technology cycle was developed, which makes it possible to place a waveguide segment with different fabrication parameters into the interferometer structure fabricated before without negative effects on the waveguide properties of the interferometer structure. The temperature dependence of the relative thermooptic coefficients, i.e. the existence of a non-negligible second-order coefficient, enables a totally thermooptic compensation only for a fixed temperature. Around this temperature the wavelength sensor shows a strong reduced temperature sensitivity. Therefore the demands on the temperature stabilisation can be reduced. By the design of the PE-segment length the temperature of totally thermooptic compensation can be shifted to a higher or lower temperature. The realised devices show a wavelength sensitivity of 0,03 pi/nm by an optical path length difference between the interferometer arms of 5 µm. For the measurement of phase shifts which correspond to a wavelength shift of 0,01 nm of the light source it is sufficient to stabilise the temperature within a tolerance smaller than 1 K.

Die Verfügbarkeit von kompakten und kostengünstigen Laserstrahlquellen in Form von Halbleiterlasern und diodengepumpten Festkörperlasern ermöglicht heute einen breiten Einsatz optischer Meß- und Kontrollsysteme in fast allen Bereichen des täglichen Lebens. Bei optischen Meßverfahren hoher Genauigkeit kommen dabei sehr häufig interferometrische Meßprinzipien zur Anwendung, wobei die Genauigkeit zumeist durch die Wellenlängenstabilität der Laserstrahlquelle begrenzt wird. Da die üblicherweise angewendete passive Stabilisierung der Laserdiodenparameter Temperatur und Injektionsstrom für hochgenaue Meßverfahren i.a. nicht ausreicht, ist eine aktive Stabilisierung der Laserwellenlänge notwendig. Kern einer solchen Wellenlängenstabilisierung ist ein Wellenlängensensor z.B. in Form eines Fabry-Perot-Resonators, Fasergitters oder unbalancierten Zweistrahlinterferometers. Voraussetzung für die korrekte Funktion der Wellenlängenstabilisierungseinheit ist die mechanische sowie insbesondere die thermische Stabilität des Wellenlängensensors. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, daß mit einem Wellenlängensensor auf Basis eines unbalancierten integriert-optischen Zweistrahlinterferometers in einem dielektrischen Kristall eine interne Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Phase erreicht werden kann. Mit Lithiumniobat (LiNbO3) kam ein Substratmaterial zur Anwendung, das auf Basis des Wellenleiterherstellungsverfahrens des getemperten Protonenaustauschs ein geeignetes Prinzip für eine thermooptische Kompensation ermöglicht. Das Prinzip beruht auf der Kombination eines getemperten protonenausgetauschten (APE) Wellenleiters mit einem ungetemperten protonenausgetauschten (PE) Wellenleiter, der gegenüber dem ersteren einen negativen thermooptischen Koeffizienten aufweist. Bei dem realisierten unbalancierten Mach-Zehnder-Interferometer wird die durch die Weglängendifferenz der Interferometerarme verursachte Temperaturempfindlichkeit durch das Einfügen eines ungetemperten protonenausgetauschten Wellenleitersegments in den längeren Interferometerarm kompensiert. Zur Bestimmung der optimalen Segmentlänge wurde die Temperaturabhängigkeit der thermooptischen Koeffizienten von PE- und APE-Wellenleitern unterschiedlicher Herstellungsparameter bestimmt. Es wurde ein Technologiezyklus entwickelt, der es ermöglicht, in die zuvor hergestellte Interferometerstruktur ein Segment anderer Herstellungsparameter einzupassen, ohne die Wellenleitereigenschaften der Interferometerstruktur negativ zu beeinflussen. Gleichzeitig wird eine Minimierung der Koppelverluste zwischen den APE-Wellenleitern der Interferometerstruktur und dem PE-Segment gewährleistet. Die Temperaturabhängigkeit der relativen thermooptischen Koeffizienten, d.h. die Existenz eines nicht vernachlässigbaren Koeffizienten zweiter Ordnung, ermöglicht eine vollständige thermooptische Kompensation nur für eine bestimmte Temperatur. In einem Intervall um diese Temperatur kann eine stark reduzierte Temperaturabhängigkeit beobachtet werden. Über die Wahl einer bestimmten PE-Segmentlänge kann die Temperatur, bei der eine vollständige thermooptische Kompensation erreicht wird, nach höheren oder tieferen Temperaturen verschoben werden. Mit der Kompensierung können die Anforderungen an die Temperaturstabilisierung des Wellenlängensensors verringert werden. Die realisierten Bauelemente zeigen bei einer optischen Weglängendifferenz zwischen den Interferometerarmen von 5 µm eine Wellenlängensensitivität von 0,03 pi/nm. Um eine Phasenänderung messen zu können, die einer Wellenlängenänderung von 0,01 nm entspricht, ist eine Toleranz der Temperaturstabilisierung kleiner 1 K ausreichend.

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Grusemann, Ulrich: Untersuchungen zu einem temperaturkompensierten Wellenlängensensor auf der Basis protonenausgetauschter Wellenleiter in Lithium-Niobat. 2003.

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