DD235341A1 - Anordnung zur kopplung eines optoelektronischen sendebauelementes mit einem lichtwellenleiter und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemaesse Koppelanordnungen sind einsetzbar in Sendemodulen der Lichtleiternachrichtenuebertragung und als Lichtquellen fuer die Lichtleiterfaser-Sensortechnik. Ziel und Aufgabe bestehen im wesentlichen darin, eine Koppelanordnung anzugeben, die ohne prinzipielle Veraenderung in unterschiedliche Bauelementgehaeuse montierbar ist. Ihre Herstellung soll unkompliziert sein und keine aus der erforderlichen Justiergenauigkeit abgeleiteten Toleranzforderungen an die Abmessungen von Halte- und Fuehrungsteilen stellen. Die erfindungsgemaesse Koppelanordnung besteht im wesentlichen aus einem Zwischentraeger mit aufmontiertem Sendebauelement und einer Faserhalterung, in der der Lichtwellenleiter in einer den Z-Abstand zwischen ihm und dem Bauelement bestimmenden Lage hermetisch und zugentlastet eingebettet ist. Zwischentraeger und Faserhalterung sind koppelseitig an ihren Beruehrungsflaechen durch Laserimpulsschweissen fest miteinander verbunden bei auf optimale Einkoppeleffektivitaet justierter Zuordnung von Bauelement und Lichtwellenleiter, derart, dass die Koppelanordnung eine in ein Bauelementgehaeuse einsetzbare selbstaendige Baueinheit darstellt. Fig. 4

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Koppelanordnung für den Anschluß eines optoelektronischen Sendebauelementes, beispielsweise eines Halbleiterinjektionslasers, an einen Lichtwellenleiter, beispielsweise eine Glasfaser, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Derartige Koppelanordnungen sind als bauliche Einheit einsetzbar in Sendemodulen der Lichtleiternachrichtenübertragung und als Lichtquellen für die Lichtleitfaser-Sensortechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, daß Sendebauelement und Lichtwellenleiter auf optimale Kopplung zueinander justiert und in dieser Lage dauerhaft fixiert werden. Die Koppelanordnung ist zum Schutz gegen Umwelteinflüsse in einem abgeschlossenen Gehäuse untergebracht und über eine Lichtleiterdurchführung und diverse elektrische Anschlüsse mit der äußeren Umgebung verbunden.

In allen Fällen wird die Stabilität der Kopplung über die Lebensdauer des Bauelementes unter allen Betriebsbedingungen gefordert, was eine entsprechende Zugentlastung für den Lichtwellenleiter einschließt.

Die bekannten Koppelanordnungen und Herstellungsverfahren lassen sich in zwei Gruppen einteilen.

So sind Anordnungen und Verfahren bekannt, bei denen das optoelektronische Sendebauelement auf einer Halterung im Gehäuse montiert ist und das koppelseitige Ende des Lichtwellenleiters unmittelbar auf optimale Kopplung justiert und fixiert wird (DE-OS 3 046 415, G 02 B, 7/26).

Derartige Lösungen haben den Nachteil, daß der Verfahrensschritt der Kopplung von Sendebauelement und Lichtwellenleiter innerhalb des Bauelementgehäuses realisiert werden muß. Dies bestimmt und beschränkt wesentlich den Montageablauf und dafür zur Anwendung kommende weitere Verfahrensschritte wie Hermetisierung, Kontaktierung. Aber auch eine Bewertung (z. B.

Belastungstests) des optisch-mechanisch gekoppelten Systems Sendebauelement-Lichtwellenleiter als wesentlichstem Teilsystem des Sendemoduls ist nicht abhängig von anderen Teilsystemen möglich.

Der zweiten Gruppe können die Lösungen zugeordnet werden, bei denen die gegenseitige Justierung von optoelektronischem Sendebauelement und Lichtwellenleiter mit Hilfe von Faserführungen bzw. Faserhalterungen realisiert wird.

Bekannt sind Anordnungen, bei denen hochgenau geätzte bzw. gefräste Rillen, die zum Sendebauelement_ausgerichtet_sind,

angewehdetwerden (DE-PS 2 620 158, G 02 B, 7/26)." _' .---

3ekannt ist auch, sehr genau gefertigte Gehäuseteile, für die Toleranzen um 0,01 mm verlangt werden, für die Aufnahme von Bendebauelementund Lichtwellenleiter zu nutzen (z. B. USP4386 821, G 02 B, 5/14). Bei dieser Anordnung ist das Bendebauelement auf dem Gehäuseboden montiert und der Lichtwellenleiter in einem zentralen Abschnitt des Gehäuses befestigt mit einem definierten Abstand seiner Lichteintrittsfläche zur ringförmigen Stirnfläche des Gehäuses, welcher den z-Abstand zum Bauelement bestimmt. Der Gehäuseboden ist mit der Stirnfläche des Gehäuses in Kontakt. Das System wird mittels einer Kappe fixiert.

3er Nachteil der letztgenannten Lösungen liegt vor allem im hohen Fertigungsaufwand für die Führungselemente bzw. deren Paßgenauigkeit zueinander, was die erreichbare Justiergenauigkeit begrenzt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine universell einsetzbare Anordnung zur Kopplung eines optoelektronischen Sendebauelementes, /orzugsweise Halbleitorinjektionslaser, mit einem Lichtwellenleiter, vorzugsweise Glasfaser, verfügbar zu haben, die bei Anwendung sinfacher Mittsi eine möglichst exakte und dauerhafte Ausrichtung des Lichtwellenleiters zum Sendebauelement gewährleistet. Insbesondere soll die von Laserdioden emittierte Strahlung möglichst definiert in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden und dabei reproduzierbare Justierung bis in den sub^m-Bereich gestatten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koppelanordnung derart auszubilden, daß sie weitgehend unabhängig von den geometrischen Abmessungen, der Art des Aufbaus und vom Typ des Sendebauelementes sowie vom Typ des Lichtleiters und der Gestaltung des Koppelelementes ist. Sie soll ohne prinzipielle Veränderung in unterschiedlichen Bauelementgehäusen, insbesondere in dem von der IEC-Norm (No. 47/850, Juli 83) vorgegebenen hermetischen DIL-Gehäuse montierbar sein und weitgehend unterschiedlichen Anwenderbedürfnissen bei der Gehäusegestaltung angepaßt sein.

Die Herstellung einer derartigen Koppelanordnung soll unkompliziert sein und keine aus der erforderlichen Justiergenauigkeit abgeleiteten Toleranzforderungen an die Abmessungen benötigter Halte- und Führungsteile stellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Koppelanordnung von optoelektronischem Sendebauelement und Lichtleiter eine festgefügte bauliche Einheit bildet und als solche in ein Gehäuse der gewünschten Art montierbar ist.

Im wesentlichen besteht die Koppelanordnung aus einem Zwischenträger, auf dem das optoelektronische Bauelement montiert ist ' und einer Faserhalterung, in der der Lichtleiter zugentlastet und ggf. hermetisch abgeschlossen fest eingebettet ist. Faserhalterung und Zwischenträger sind auf optimale Koppeleffektivität von Sendebauelement und Lichtleiter zueinander justiert und vorzugsweise mittels Impulslaserschweißen miteinander verbunden. Erfindungsgemäß ist in der Koppelanordnung der z-Abstand zwischen Lichtaustrittsfläche des Bauelementes und Lichtleiter durch die Lage des Sendebauelementes auf dem Zwischenträger und dem definiert festgelegten Abstand des Lichtleiterendes zur Berührungsfläche der Faserhalterung mit dem Zwischenträger vorgegeben.

Damit der zweidimensionale x-, y-Abstand mit Hilfe geeigneter Manipulatoren durch Justierung von Zwischenträger und Faserhalterung gegeneinander hinreichend genau erfolgen kann, ist die prinzipiell einzuhaltende Forderung an die Gestalt der beiden Halteteile, daß die Rauhtiefe bzw. Unebenheit der Berührungsflächen geringer ist, als der minimale z-Abstand (10μηη), d. h.

sie sollten eben geschliffen bzw. poliert sein.

Der Zwischenträger ist vorzugsweise ein oberflächenveredelter Kupferblock, der in seiner Größe den Bedürfnissen der Handhabbarkeit und der Montierbarkeit in einen vorgegebenen Gehäuseaufbau angepaßt ist. Die Faserhalterung ist vorzugsweise ein Metallrohr, dessen Innendurchmesser hinreichend groß bzw. lang sein sollte, um auch den Schutzmantel des Lichtleiters aufzunehmen und entsprechende Zugentlastung z. B. durch Quetschung zu gestatten. Die Gestaltung der Berührungsflächen zum Zwischenträger ist unter dem Gesichtspunkt der Nahtvorbereitung für Impulslaserschweißung optimiert.

Wesentliche Merkmale der Koppelanordnung sind in der Einfachheit ihrer Herstellung begründet.

Das Sendebauelement wird mit seiner optischen Achse annähernd senkrecht und in einem Abstand, der kleiner als der minimale z-Abstand ist, zur Berührungsfläche des Zwischenträgers mit der Faserdurchführung auf dem Zwischenträger montiert. Das koppelseitige Ende des Lichtleiters, vorzugsweise Glasfaser, wird entsprechend präpariert (z. B. Entmantelung, Taperende, Metallisierung des Mantels usw.), mit seinem koppelseitigen Ende im definierten Abstand zur Berührungsfläche von Faserdurchführung und Zwischenträger in die Faserdurchführung eingelötet oder geklebt. Durch Quetschen des anderen Endes der Faserhalterung wird der Lichtleiter zugentlastet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine beliebige Anzahl wie beschrieben aufgebauter und vorbereiteter Zwischenträger und hermetischer Faserhalterungen hergestellt, geprüft und für eine Koppelanordnung vorselektiert werden kann.

Die Erfindung sieht vor, daß aus diesem Vorrat Paarungen für optimalen z-Abstand gebildet werden bzw. der Lichtleiter direkt, die Lage des anzukoppelnden Sendebauelementes auf dem Zwischenträger berücksichtigend, im optimalen Abstand zur Berührungsfläche der Faserhalterung mit dem Zwischenträger in die Faserdurchführung eingelötet bzw. eingeklebt wird.

Zwischenträger und Faserhalterung werden in einer speziellen x-, y-Justiereinrichtung befestigt und in z-Richtung mit ihren Berührungsflächen in Kontakt gebracht. Dies gewährleistet hinreichende Kollimarität der optischen Achsen von Lichtleiterende bzw. Koppelelement und optoelektronischem Sendebauelement.

Die x-, y-Justierung, deren Genauigkeit nur noch vom verwendeten Manipulator abhängt, erfolgt wie in anderen Kopplungsvarianten unter Messung der Lichtintensität bzw. Intensitätsverteilung am Ausgang des Lichtleiters.

Die Erfindung sieht vor, daß die Anordnung im Zustand optimaler Einkoppeleffektivität vorzugsweise durch Laserimpulsschweißung Faserhalterung und Zwischenträger verbindend in dieser Lage fixiert wird.

Energie und Leistung der Laserimpulse sowie die Lage und Reihenfolge der Schweißpunkte sind so zu optimieren, daß Wärmeeintrag und induzierte mechanische Spannungen in bezug auf Erhaltung der Einkoppeleffektivität klein bleiben und hinreichende Stabilität der Verbindung erreicht wird.

Der Vorteil dieser Methode liegt darin, daß die Verbindung berührungslos und ohne thermische Belastung des Sendebauelementes und der Faserdurchführung erfolgt. Dadurch wird die Handhabung wesentlich erleichtert und die Anforderungen an die Justiereinrichtung verringert, da aufwendige Feststellmechanismen entfallen.

Die so hergestellte Koppelanordnung für ein optoelektronisches Sendebauelement und Lichtwellenleiter kann als Ganzes geprüft und in ein Bauelementgehäuse eingebaut werden.

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Ein Vorteil besteht vor allem darin, daß für nachfolgende Montageprozesse keine aufwendige Justierung im Gehäuse erforderlich ist und fertigungsbedingte Maßabweichungen leicht durch die Einbaulage der Koppelanordnung im Bauelementgehäuse kompensiert werden können. Dies bedeutet, daß bei der Fertigung der mechanischen Teile der Koppelanordnung und des die Koppelanordnung aufnehmenden Bauelementgehäuses Freimaßtoleranzen entsprechend TGL 2897 der Klasse mittel, etwa ±% IT 14, zugelassen werden können. .

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es handelt sich hier um eine Koppelanordnung, bei der das optoelektronische Bauelement ein Halbleiterinjektionslaser und der Lichtwellenleiter eine 50 μΓη-Gradientenfaser ist. Die Anordnung ist für den Einbau in ein Standard-DIL-Gehäuse nach IEC-Norm 47/850 vorgesehen. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen Zwischenträger mit aufmontiertem Bauelement,

Fig. 2: den Längsschnitt einer Faserhalterung, -.

Fig. 3: eine komplettierte Koppelanordnung nach der Erfindung, ""'- —-_

Fig. 4: die Seitenansicht einer komplettierten Koppelanordnung mit Schnittdarstellung der Faserhalterung.

Auf dem in Fig. 1 gezeigten quaderförmigen Zwischenträger 1 ist der Halbleiterlaser 2 in einem Abstand von 5-10 μιη und mit seiner optischen Achse annähernd senkrecht zur Berührungsfläche 3 des Zwischenträgers 1 mit der Faserhalterung 4 aufgelötet. Zwischen dem Halbleiterlaser 2 und dem Zwischenträger 1 befindet sich eine Unterlage 5, z. B. aus Si oder BeO. Der Aufbau des Halbleiterlasers 2 kann wahlweise mit oben oder unten liegendem p-n-Übergang erfolgen. Die Berührungsfläche 3 ist geläppt und zeichnet sich durch geringe Rauhtiefe und Unebenheit aus. Der Zwischenträger 1 besteht aus Kupfer und ist mit einer Oberflächenbeschichtung, vorzugsweise galv. Ni, versehen.

Das in Fig. 2 dargestellte Beispiel einer Faserhalterung 4 wird in diesem Falle vorteilhaft mit einem handelsüblichen Standardbauelement realisiert. Es handelt sich dabei um die rohrförmige Kondensatordurchführung KH 3,5 A, mit verlängertem Innenrohr 6.

Der Einsatz dieser Kondensatordurchführung bietet mehrere Vorteile. Da das Teil mit einer Standardtechnologie gefertigt wird und keine für den vorliegenden Anwendungsfall gesonderten Fertigungstoleranzen erforderlich sind, ist es äußerst preiswert.

Lediglich die Berührungsfläche 7 mit dem Zwischenträger 1 ist durch Schleifen bzw. Polieren nachzuarbeiten und koppelseitig zweckmäßigerweise ein „Fenster" 8 aufzuschneiden.

Der Glaskörper 9 zwischen Innenrohr 6 und Außenrohr 10 dient als Wärmewiderstand gegen Umgebungswärme und verringert die Wärmelast, die von einem Kühler bei temperaturgeregeltem Betrieb des Lasers 2 über den Zwischenträger 1 abgeführt werden muß.

Gleichzeitig ist eine Potentialtrennung von Zwischenträger 1 und dem Bauelementgehäuse, die beide im eingebauten Zustand mit der Faserhalterung Kontakt haben müssen, gegeben.

Das Außenrohr 10 bietet ausreichend Platz, um die Glasfaser 11 in dieses einzukleben bzw. hermetisch einzulöten und sein Durchmesser ist, im Hinblick auf zu erwartende Schwerkräfte und Drehmomente, der benötigten Stabilität einer Punktschweißkehlnaht angepaßt.

Der Durchmesser des Innenrohres 6 entspricht etwa dem Außendurchmesser der Aderleitung, d. h. dem Schutzmantel 12 der Faser

11. Das Innenrohr 6 kann diesen aufnehmen und zur Zugentlastung der Faser 10 gequetscht werden. Das Faserende ist vorzugsweise mit einem Koppelelement, z. B. Taper 13 versehen und um den, den z-Abstand wesentlich bestimmenden Betrag gegenüber der Berührungsfläche 7 mit dem Zwischenträger 1 zurückgesetzt in das Außenrohr 10 eingelötet bzw. geklebt.

Zur thermischen und elektrischen Isolierung kann sich zwischen dem die Faser hermetisierenden und fixierenden Lot 14 und dem Innenrohr 6 eine Schicht aus isolierendem Material befinden. In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäß aus komplettem Zwischenträger 1 und Faserhalterung 4 zusammengefügte und auf optimale Koppeleffektivität justierte Koppelanordnung schematisch dargestellt.

Hier ist die Lage der zur Verbindung von Zwischenträger 1 und Faserhalterung 4 erzeugten Laserschweißpunkte 15 angedeutet.

Ferner ist ein Ausschnitt der Wandung 16 eines Bauelementgehäuses gezeigt, durch welche die komplettierte Koppelanordnung zwecks Montage in das Gehäuse eingeführt wird. Auf das nach der Montage aus dem Gehäuse herausragende Innenrohr 6 der Faserhalterung 4 ist eine handelsübliche Kondensatordurchführung 17 aufgeschoben und mit der genannten Gehäusewandung 16 verlötet. Sie dient der Abdichtung der Faserhalterung 4 und gestattet den Ausgleich fertigungsbedingter Lagetoleranzen der Koppelanordnung in einem Bauelementgehäuse.

Nachstehend soll ein Beispiel zur Herstellung einer Koppelanordnung für ein optoelektronisches Sendebauelement mit Lichtwellenleiter beschrieben werden.

Der vorstehend beschriebene Zwischenträger 1 mit aufgebautem und kontaktiertem Laserchip 2 wird in einer feststehenden Haltevorrichtung z. B. durch Löten derart befestigt, daß die Berührungsfläche 3 mit der Faserhalterung 4 die Heranführung und Justierung der Faserhalterung 4 und damit der Faser 11 zum Laser 2 gestattet.

Die Faserhalterung 4 wird am Ende des Innenrohres 6 in einer Klemmvorrichtung, die sich auf einem Präzisionsmanipulator befindet, so eingespannt, daß das Außenrohr 10 in Richtung Zwischenträger 1 freiliegt. Mit einer Grobverstellvorrichtung wird nun die Faserhalterung 4 an den Zwischenträger 1 herangefahren und zwar so, daß sich die Berührungsflächen von Faserhalterung 4 und Zwischenträger 1 entsprechend ihres durch die Oberflächenqualität (Rauhtiefe und Ebenheit) bestimmten Traganteils innig berühren.

Die Faserhalterung 4 wird dann in z-Richtung so weit zurückgezogen, daß gerade keine Berührung vorliegt. Die Grobjustierung in x-y-Richtung erfolgt visuell unter Mikroskopbeobachtung, die Feinjustierung in üblicherweise durch Messung der Lichtleistung am Faserausgang. Ist die Lage optimaler Kopplung gefunden, wird über ein optisches Abbildungssystem der Laserstrahl des Schweißlasers (z. B. Nd-Glaslaser) auf die Berührungsfläche von Faserhalterung 4 und Zwischenträger 1 fokussiert und durch Auslösung des Schweißimpulses ein Kehlnahtschweißpunkt 15 erzeugt.

Die weiteren Schweißpunkte 15 werden auf die gleiche Art erzeugt, die Reihenfolge aber so bestimmt, daß der durch die Schweißung auftretende Materialverzug minimal bleibt, in dem z. B. die ersten zwei Schweißpunkte die Endpunkte der Schweißnaht bestimmen. Die Führung des Laserstrahls zum Werkzeug mit Hilfe abbildender Optiken hat den Vorteil, daß auf die gesamte Anordnung während des Fügeprozesses keine äußeren mechanischen Kräfte einwirken.

Die Konstanz der Koppeleffektivität wird geprüft. Die Klemmhalterung der Faserhalterung 4 wird gelöst, und die nun eine festgefügte Einheit bildende Koppelanordnung aus der Halterung des Zwischenträgers 1 z. B. durch Entlöten gelöst.

Die Koppelanordnung kann nun als Ganzes spannungsfrei und ohne Feiniustieruna in ein Bauelementaehäuse eingebaut werden.

Claims (6)

1. -1- 74011

   Erfindungsanspruch:

   1. Anordnung zur Kopplung eines optoelektronischen Sendebauelementes mit einem Lichtwellenleiter, bestehend aus einem das Bauelement aufnehmenden Zwischenträger und einer Faserhalterung, in der der Lichtwellenleiter zugentlastet fest eingebettet ist mit einem Abstand seines koppelseitigen Endes von der Stirnseite der Faserhalterung, welcher den z-Abstand zwischen Lichtaustrittsfläche des Bauelementes und Lichteintrittsfläche des Lichtwellenleiters bestimmt, gekennzeichnet dadurch, daß die Faserhalterung stirnseitig fest mit dem Zwischenträger an dessen parallel zur Lichtaustrittsfläche des Bauelementes verlaufender Fläche verbunden ist bei auf optimale Einkoppeleffektivität justierter Zuordnung von Bauelement und Lichtwellenleiter, derart, daß die Koppelanordnung eine in ein Gehäuse einsetzbare selbständige Baueinheit bildet.
2. 2. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Faserhalterung und Zwischenträger an ihrer gemeinsamen Berührungsfläche durch Laserimpulsschweißen miteinander verbunden sind.
3. 3. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Faserhalterung aus einem koppelseitigen Außenrohr und einem aus dessen rückwärtiger Stirnseite austretenden Innenrohr geringeren Durchmessers zusammengesetzt ist, wobei in dem Außenrohr der*entmantelte Endabschnitt des Lichtwellenleiters bei Freilassung seines Einkoppelbereichs hermetisch und zugentlastet eingebettet ist und das Innenrohr der Durchführung des ummantelten Lichtwellenleiters durch eine Gehäusewandung dient.
4. 4. Anordnung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Außenrohr der Faserhalterung koppelseitig von seiner Mantelfläche her bis zur Berührungsfläche mit dem Zwischenhalter zur Bildung eines Fensters schräg angeschnitten ist.
5. 5. Anordnung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Grundkörper der Faserhalterung eine handelsübliche rohrförmige Kondensatordurchführung mit verlängertem Innenrohr verwendet wird.
6. 6. Verfahren zur Herstellung einer Koppelanordnung nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

   - Montage des Sendebauelementes auf dem Zwischenträger bei Einhaltung eines Abstandes seiner Lichtaustrittsfläche von der Berührungsfläche des Zwischenträgers mit der Faserhalterung, der kleiner ist als der minimale z-Abstand zwischen Bauelement und Lichtwellenleiter,

   - Präparierung des koppelseitigen Endes des Lichtwellenleiters,

   - hermetisches und zugentlastetes Einbetten des Lichtwellenleiters in der Faserhalterung bei Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes seines koppelseitigen Endes von der Stirnseite der Faserhalterung.

   — Paarbildung aus einer Anzahl von Zwischenträgern und Faserhalterungen nach an sich bekanntem Auswahlprinzip zur Festlegung des z-Abstandes zwischen Bauelement und Lichtwellenleiter,

   - Aufnahme von Zwischenträger und Faserhalterung in einer x-, y-Justiereinrichtung und Kontaktierung ihrer Berührungsflächen,

   - x-, y-Justierung bei festem z-Abstand in an sich bekannter Weise unter Messung der Lichtintensität bzw. Intensitätsverteilung am Ausgang des Lichtwellenleiters,

   - Verbindung der Faserhalterung mit dem Zwischenträger im Zustand optimaler Einkoppeleffektivität durch Laserimpulsschweißen,

   - Prüfung der Koppelanordnung.
   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen