-
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung mit einer
Kopplung zwischen einem ersten optischen Element und einem zweiten optischen Element,
wobei die Anordnung einen Halter für das zweite optische Element, einen Halter für das
erste optische Element und ein Zwischenstück hat, wobei die beiden Halter miteinander
mit Hilfe des Zwischenstückes verbunden sind, wobei das Zwischenstück und einer der
beiden Halter ein erstes Paar von Teilen bilden, von denen eines ein röhrenförmiges
Verbindungsstück hat, wodurch, vor dem Verbinden, ein Teil in axialer Richtung in das
andere gleiten kann, um für das erste optische Element eine axiale Justierung des
Halters bezüglich des zweiten optischen Elements zu bewirken, wobei das röhrenförmige
Verbindungsstück mittels Schweißen an der Außenfläche des anderen Teils befestigt ist,
und wobei das Zwischenstück und der andere der beiden Halter ein zweites Paar von
Teilen bilden, und einander gegenüberliegende, sich berührende ebene Oberflächen
haben, die vor dem Verbinden übereinander gleiten können, um eine transversale
Justierung des Halters des ersten optischen Elements bezüglich des zweiten optischen
Elements zu bewirken, wobei die ebenen Oberflächen rechtwinklig zur Richtung des
axialen Justierens liegen und die Teile des zweiten Teilepaares mittels Schweißen aneinander
befestigt sind, wobei das erste optische Element eine optische Faser und das zweite
optische Element eine Halbleiterlaserdiode ist, wobei eine Stirnfläche der Faser der
Halbleiterlaserdiode zugewandt ist und relativ zu ihr justiert ist.
-
Eine solche optoelektronische Anordnung ist aus Patent Abstracts of
Japan, Bd. 11, Nr. 260 ((P-608)[2707], 22.08.87, S. 41 P608 & JP-A-62 63 906 bekannt.
Ein gleichartiges System wird in Patent Abstracts of Japan, Bd. 12, Nr. 42 ((P-663)
[2889], 06.02.88, S. 10 P663 & JP-A-62 187 807 (MATSUSHITA ELECTRIC IND.
CO. LTD) 17.08.87 beschrieben. Aber in dieser bekannten Anordnung ist das erste
optische Element ein Linsenhalter. Mit Hilfe des Zwischenstückes wird die Linse in
axialer und transversaler Richtung bezüglich eines Licht empfangenden und
emittierenden Elements, das das zweite optische Element bildet, justiert.
-
Es sind eine Anzahl Möglichkeiten zur Kopplung einer optischen Faser
mit einer Halbleiterlaserdiode bekannt. Diese Kopplung muß sehr genau sein, darf sich
nicht infolge externer Einflüsse ändern, muß eine einfache Konstruktion haben und die
Möglichkeit einer vakuumfesten Abdichtung bieten. Außerdem ist es von großer
Bedeutung, daß das Ende der optischen Faser und die Halbleiterlaserdiode sehr genau
zueinander ausgerichtet sind, um eine hohe Kopplungswirkung zu erreichen. Die bekannten
Anordnungen erfüllen diese Kombination von Anforderungen nicht immer in
genügendem Maße.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Ausrichtung der Faser
bezüglich der Halbleiterlaserdiode und die Fixierung im ausgerichteten Zustand einander
direkt beeinflussen und daß ein vakuumfestes Abdichten sich auf die Genauigkeit
auswirken kann.
-
Die Erfindung ist unter anderem auf die Erkenntnis gegründet, daß die
eingangs beschriebene Anordnung bei geeigneter Abwandlung geeignet ist, die
Kopplung zwischen einer optischen Faser und einer Halbleiterlaserdiode zu verbessern.
-
Erfindungsgemäß ist eine optoelektronische Anordnung der eingangs
beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß das röhrenförmige Verbindungsstück
des einen Teils des ersten Teilepaares einen ringförmigen Endabschnitt von nahezu
gleichmäßiger Dicke in Querrichtung hat, dünner als die Dicke des übrigen
röhrenförmigen Verbindungsstückes in Querrichtung, das sich in axialer Richtung nahezu parallel
zur angrenzenden Außenfläche des anderen Teils des ersten Teilepaares erstreckt, daß
ein Teil des zweiten Teilepaares einen nahezu ebenen Flansch mit nahezu gleichmäßiger
Dicke aufweist, die nahezu die gleiche Dicke wie die genannte Dicke des ringförmigen
Endabschnitts in Querrichtung ist, wobei der Flansch eine der genannten ebenen
Oberflächen bildet und sich nahezu parallel zu der ebenen Oberfläche des anderen Teils des
zweiten Teilepaares erstreckt, und daß der ringförmige Endabschnitt und der nahezu
ebene Flansch an den anderen Teil des ersten bzw. zweiten Teilepaares lasergeschweißt
sind.
-
Die Ausführung mit dem Zwischenstück zwischen den beiden Haltern hat
eine einfache Konstruktion. Durch die unabhängige axiale und transversale Justierung ist
ein sehr genaues Ausrichten des Faserendes bezüglich der Laserdiode möglich. Der
Schritt des Fixierens, bei dem ein röhrenförmiges Verbindungsstück mit einem
ringförmigen Endabschnitt geringerer und gleichmäßiger Dicke und ein ebener Flansch
geringerer und gleichmäßiger Dicke verwendet werden, und die Verwendung von
Laserschweißungen
ergeben eine feste Fixierung, die kaum mechanische oder thermische
Kräfte ausübt und somit auch keine Veränderung der genauen Justierung verursacht.
Zwischen der Halbleiterlaserdiode und der optischen Faser wird eine Kopplung mit
einer optimalen Kopplungswirkung erhalten. Die Justiergenauigkeit ist so groß, daß
nicht nur Multimodefasern, sondern auch Monomodefasern verwendet werden können.
Die Fixierung ist so stabil, daß die Teile nach Anbringen der Laserschweißungen
vakuumfest abgedichtet werden können, ohne daß die Justiergenauigkeit negativ beeinflußt
wird.
-
Es sei bemerkt, daß aus der deutschen Offenlegungsschrift 3429282 ein
Gehäuse für eine optoelektronische Anordnung bekannt ist, bei der nach der Justierung
eine Fixierung der ausgerichteten Teile des Gehäuses mit Hilfe von Laserschweißen
erhalten wird.
-
Diese Anordnung verschafft keine Kopplung zwischen einer optischen
Faser und einer Halbleiterlaserdiode und weist weder ein röhrenförmiges
Verbindungsstück noch einen nahezu ebenen Flansch zur Erleichterung der Fixierung durch
Laserschweißen auf.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
optoelektronischen Anordnung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Halter für die optische
Faser Röhrenform hat und das Zwischenstück eine Buchse mit zylindrischer Öffnung
ist, in die der röhrenförmige Halter gleitend paßt, wobei die Buchse den ringförmigen
Endabschnitt aufweist, der den röhrenförmigen Halter umgibt, und die Buchse den
nahezu ebenen Flansch aufweist, der an einer ebenen Außenfläche einer ringförmigen
Manschette anliegt, wobei die Manschette Teil des Halters für die Halbleiterlaserdiode
ist.
-
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise realisiert werden, wie einige
zu beschreibende Ausführungsformen erkennen lassen. Es ist dann günstig, für die
nahezu gleichmäßige Dicke des Verbindungsstückes und die nahezu gleichmäßige Dicke
des nahezu ebenen Flansches einen Wert kleiner als 0,4 mm und vorzugsweise von etwa
0,2 mm zu wählen. Es ist auch günstig, die Laserschweißungen symmetrisch
auszuführen. Vorzugsweise liegen drei Laserschweißungen jeweils unter einem Winkel von 120º
zueinander auf dem Umfang eines Kreises.
-
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden naher beschrieben. Es zeigen:
-
Figur 1 einen Langsschnitt einer ersten Ausführungsform der
optoelektronischen Anordnung,
-
Figur 2 ein Querschnitt entlang der Linie II-II in Figur 1,
-
Figur 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
optoelektronischen Anordnung.
-
Der Erfindungsgedanke, bei dem drei zueinander einstellbare Teile,
nämlich ein Halter für die Halbleiterlaserdiode, ein Halter für die optische Faser und ein
Zwischenstück, verwendet werden, kann in unterschiedlichen Ausführungsformen
realisiert werden, von denen zwei beschrieben werden sollen.
-
Bei allen Ausführungsformen werden die verschiedenen Teile mit Hilfe
von Laserschweißen eines verjüngten Zwischenstückes und mit Hilfe von
Laserschweißen eines dünnen Flansches befestigt.
-
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur optischen
Kopplung einer Halbleiterlaserdiode mit einer optischen Faser. Die Faser kann eine
Multimodefaser sein, aber auch eine Monomodefaser kann mit der erfindungsgemäßen
Anordnung sehr genau gekoppelt werden.
-
Das Gehäuse des Laserelements umfaßt eine Grundplatte 1 aus Metall mit
einem erhöhten Teil 2. Auf dem Teil 2 befindet sich eine Säule 3 aus Metall. Das
Laserelement 4 ist beispielsweise auf einem Träger 5 aus Silicium befestigt, der an der
Säule 3 befestigt ist. Ein weiterer Trägerteil 6 ist auf dem erhöhten Teil 2 angeordnet,
und an diesem Trägerteil ist eine Photodiode 7 befestigt. Mit der Photodiode 7 wird die
von der Laserdiode 4 emittierte Lichtmenge gemessen, die auf die Grundplatte 1
gerichtet ist. Mit Hilfe des dabei in der Photodiode erzeugten Signals kann die Stärke der
Emission der Laserdiode 4 gesteuert werden.
-
Für die elektrischen Anschlüsse gibt es mehrere Anschlußstifte 8, 9, 10
und 11. Der Stift 8 ist ein Masseanschlußstift und mit der Grundplatte 1 aus Metall
verbunden. Die Stifte 9, 10 und 11 werden isoliert durch die Grundplatte 1 geführt.
Einer der Anschlüsse der Laserdiode 4 wird von dem Anschlußstift 8, der Säule 3 und
dem Träger 5 gebildet. Der andere elektrische Anschluß besteht aus einem
Anschlußdraht 12 von der Laserdiode zum Stift 9. Die Steuerdiode 7 ist über den Träger 6 mit
dem Stift 11 verbunden; der Träger 6 ist dabei an dem Stift 9 befestigt. Die Steuerdiode
7 steht außerdem mit dem Anschlußstift 10 mittels eines Drahtes 13 in Verbindung. Ein
Gehäuseteil in Form einer ringförmigen Manschette 14 ist auf der Grundplatte
angebracht,
und die obere Seite 20 dieses Gehäuseteils ragt über die Säule 3 und das
Laserelement 4 hinaus. Die starre Verbindung zwischen der Manschette 14 und der
Grundplatte 1 kann beispielsweise eine Widerstandsschweißverbindung sein. In dieser
Ausführungsform bilden die Grundplatte und die ringförmige Manschette den Halter für die
Halbleiterlaserdiode.
-
Das Zwischenstück besteht in dieser Ausführungsform aus einer Buchse
21, deren untere Seite auf der oberen Fläche der Manschette 14 liegt. Die Buchse 21
hat eine zylindrische Innenwandung 22 mit einem solchen Durchmesser, daß ein
röhrenförmiger Halter 16 für eine optische Faser 15 mit seiner Außenwandung 17 gleitend
hineinpäßt. Bei der gezeigten Ausführungsform hat die Buchse 21 an einer Seite ein
ringförmiges, verjüngtes Verbindungsstück 23 und an der anderen Seite einen dünnen
Flansch 24. Sowohl das ringförmige Verbindungsstück als auch der Flansch haben eine
Dicke von weniger als 0,4 mm; die Dicke beträgt vorzugsweise etwa 0,2 mm.
-
Eine optisch mit dem Laserelement 4 zu koppelnde optische Faser 15 ist
an ihrem zu koppelnden Ende in einen röhrenförmigen Halter 16 aufgenommen, der
eine zylindrische Außenwandung 17 hat. Das Ende 18 der Faser ist von seinem
schützenden Mantel befreit. Mittels eines aushärtenden Klebstoffes 19 wird der Kern der
Faser an dem Halter 16 befestigt; sein mit einer Laserdiode zu koppelndes Ende ragt
etwas über den Halter 16 hinaus.
-
Die optische Kopplung der Laserdiode 4 mit der Glasfaser 15 erfolgt über
die Buchse 21 und den röhrenförmigen Halter 16. Der Halter 16 mit dem daran
befestigten Ende 18 der Glasfaser wird in die Buchse 21 geschoben, und der dünne Flansch
24 der Buchse wird an der oberen Fläche 20 der ringförmigen Manschette 14, die Teil
des Halters für die Laserdiode ist, plaziert. Mittels einer Computersteuerung (nicht
abgebildet) wird jetzt das Ende des Kerns 18 der optischen Faser bezüglich der
betriebenen Laserdiode 4 justiert. Das vordere Ende des Faserkerns 18 kann sowohl in der
Höhe als auch in seitlicher Richtung verlagert werden; die Justierung wird fortgesetzt,
bis die optimale optische Kopplung erreicht ist. Während der Justierung wird die
gewünschte Position durch Verschiebung des Halters 16 in der Buchse 21 und durch
seitliche Verschiebung der Buchse 21 auf der oberen Fläche der Manschette 14 erhalten. In
der Position der optimalen Kopplung wird der Halter in bezug auf das verjüngte Ende
23 der Buchse 21 mit Hilfe einiger Laserschweißungen fixiert, vorzugsweise mit drei
solcher Schweißungen, und die Faser wird in Richtung der Höhe bezüglich der
Laserdiode
genau justiert.
-
Die bei der Laserschweißung entwickelte Wärme ist gering, aber dennoch
kann sie eine gewisse seitliche Verlagerung des Endes 18 des Faserkerns bewirken. Die
Justierung muß sehr genau sein, um eine optimale Kopplungswirkung zu erhalten.
Hierzu wird nach Fixierung einer bestimmten Lange des Röhrenteils 16 an der Buchse 21
die Justierung des Faserendes bezüglich des Laserelements quer zur Längsrichtung der
Faser durch Verschieben der Buchse 21 auf der oberen Fläche 20 der Manschette 14
wiederholt. Mit dieser Feinjustierung wird die endgültige optimale Kopplung erhalten.
In dieser Position wird die Buchse 21 in bezug auf die Manschette 14 durch Befestigung
des dünnen Flansches 24 an der oberen Fläche 20 mit Hilfe einiger Laserschweißungen
fixiert. Diese Schweißungen, beispielsweise drei, liegen von der Glasfaser so weit
entfernt, daß eine Verlagerung des Faserkerns 18 infolge eines gewissen thermischen
Effektes nicht auftritt.
-
In der beschriebenen Weise wird die optische Faser sehr genau bezüglich
der Laserdiode justiert. Die Kopplungswirkung ist dann optimal.
-
Es ist meistens wünschenswert, daß die Umhüllung vakuumfest
abgedichtet ist. Die genau eingestellte und fixierte Kopplung darf dann natürlich nicht
verlorengehen. Um eine sehr wirksame vakuumfeste Abdichtung zu erhalten, wird
beispielsweise ein Lötmittel mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet. Beispielsweise wird ein
Indium-Zinn-Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 120 ºC in den freien
Raum zwischen der oberen Fläche 20 der Manschette 14 und dem Flansch 24
eingebracht, wobei dieses Lötmittel den Raum durch den Kapillareffekt füllt. Die Temperatur
ist dann hinreichend niedrig, um eine Änderung der eingestellten Kopplung zu
verhindern. Dieses Lötmittel kann auch in dem freien Raum zwischen dem Halter 16 und der
Buchse 21 verwendet werden, um eine vakuumfeste Abdichtung bei einer Temperatur
zu erhalten, die genügend niedrig ist, um die eingestellte Kopplung aufrechtzuerhalten.
Die vakuumfeste Abdichtung kann auch in anderer Weise erhalten werden,
beispielsweise durch eine Laserschweißung um das Ende des verjüngten Verbindungsstückes 23
und um das Ende des dünnen Flansches 24 herum.
-
Um die Anordnung in einem starren Gehäuse unterzubringen und auch für
eine ausreichende Kühlung zu sorgen, kann ein äußeres Gehäuse verwendet werden,
beispielsweise ein äußeres Gehäuse wie in der Zeichnung gezeigt.
-
Figur 3 zeigt schematisch eine besonders günstige weitere
Ausführungsform.
Die drei zueinander einstellbaren Teile in dieser Ausführungsform sind ein
Adapter 30, ein Linsenhalter 31 und ein Halter einer Laseranordnung 33. Die optische Faser
ist in einem Ständardsteckverbinder untergebracht (nicht abgebildet). Dieser
Standardsteckverbinder kann mit dem Adapter gekoppelt und von ihm losgekoppelt werden; bei
dieser Ausführungsform braucht die Faser daher nicht fest in der Anordnung vorhanden
zu sein. Wenn der Steckverbinder mit dem Adapter gekoppelt ist, liegt das Ende der
Faser genau an die Fläche 34 in dem Adapter an.
-
In einer günstigen Abwandlung dieser Ausführungsform erstreckt sich das
röhrenförmige Loch 28 in dem Adapter 30 bis zur an den Linsenhalter 31 grenzenden
Fläche. Wenn der Steckverbinder mit dem Adapter gekoppelt ist, liegt das Ende der
optischen Faser genau an die an den Adapter 30 grenzende Außenfläche 34 des
Linsenhalters 31 an. Die letztgenannte Fläche bildet dann einen Anschlag, da der Durchmesser
des röhrenförmigen Loches 27 in dem Linsenhalter 31 kleiner ist als der Durchmesser
des röhrenförmigen Loches 28 in dem Adapter 30.
-
Die drei Hauptteile 30, 31 und 32 sind aus Metall hergestellt,
vorzugsweise aus Stahl. Der Adapter 30 dient, wie erwähnt, dazu, einen Standardsteckverbinder
mit einer optischen Faser aufzunehmen. Der bei dieser Ausführungsform als
Zwischenstück ausgeführte Linsenhalter 31 umfaßt eine Linse 35, beispielsweise eine bekannte
Gradientenlinse. Die Linse kann in dem Halter mit Hilfe eines Tropfen Klebstoff
befestigt sein. Der Halter 32 ist hohl. Auf einer Seite ist ein Sockel 36 des Lasers 33 in
einer Öffnung 37 mit einer festen Passung befestigt und eventuell mit einem Tropfen
Klebstoff gegen Verschiebung gesichert. Die Halbleiterlaserdiode befindet sich in dem
Gehäuse 33; die der Linse 35 zugewandte Seite des Gehäuses 33 ist mit einen
durchsichtigen Fenster versehen. Bei dieser Ausführungsform wird für die Laserdiode ein
vakuumfest abgedichtetes Gehäuse verwendet, so daß man sich um weiteres Abdichten
nicht zu kümmern braucht. Der Halter 32 ist an der von dem Gehäuse 33 abgewandten
Seite mit einem ringförmigen, verjüngten Verbindungsstück 38 von weniger als 0,4 mm
Dicke, vorzugsweise einer Dicke von etwa 0,2 mm, versehen.
-
Das gleitend in den Laserhalter 32 passende Zwischenstück 31 ist vor der
endgültigen Fixierung axial verschiebbar, so daß die Linse 35 und somit auch das Ende
der optischen Faser axial bezüglich der Halbleiterlaserdiode eingestellt werden können.
Der Linsenhalter 31 hat auf der dem Adapter 30 zugewandten Seite einen dicken
Flansch 39. Der Adapter ist an seiner an den Linsenhalter anliegenden Fläche mit einem
dünnen Flansch 40 versehen, der dünner ist als 0,4 mm und vorzugsweise eine Dicke
von etwa 0,2 mm hat. Außerdem erfolgt bei dieser Ausführungsform die einmalige
Justierung des Endes der optischen Faser bezüglich der Halbleiterlaserdiode durch
gegenseitige axiale und transversale Bewegung der drei Hauptteile der Anordnung. Wenn
die Kopplung optimal ist, wird das verjüngte Verbindungsstück 38 mit Hilfe einiger
Laserschweißungen an dem Linsenhalter befestigt, vorzugsweise mit drei solcher,
gleichmäßig über den Umfang verteilten Schweißungen, wobei dann eine endgültige axiale
Justierung erhalten wird. Die transversale Justierung kann jetzt überprüft werden, und
der Flansch 40 des Adapters wird dann mit Laserschweißungen, vorzugsweise drei
solcher Schweißungen, an dem Linsenhalter befestigt, wobei eine dauerhafte Einstellung
erhalten wird, die eine optimale Kopplungswirkung garantiert.
-
Der dünne Flansch und das verjüngte Verbindungsstück ermöglichen es,
Laserschweißverbindungen zu erhalten, die nur eine geringe Energiezufuhr benötigen.
Sowohl in thermischer als auch in mechanischer Hinsicht wirken sich die Verbindungen
auf die optimale Justierung nicht störend aus, während die Starke so ist, daß selbst nach
langdauerndem Betrieb die Einstellung sich nicht verändert.
-
Die beschriebenen Ausführungsformen geben zwei mögliche
Anwendungen des Erfindungsgedanken wieder. Es wird deutlich sein, daß die Erfindung auch in
anderer Weise realisiert werden kann.