DD235341B1 - Anordnung zur kopplung eines optoelektronischer sendebauelements mit einem lichtwellenleiter - Google Patents

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

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

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

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 3046415, 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 unabhängig 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, angewendet werden (DE-PS 2620158, G 02 B, 7/26).

Bekannt ist auch, sehr genau gefertigte Gehäuseteile, für die Toleranzen um 0,01 mm verlangt werden, für die Aufnahme von Sendebauelement und Lichtwellenleiter zu nutzen (z.B. USP 4386821, G 02 B, 5/14). Bei dieser Anordnung ist das Sendebauelement 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.

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

Bekannt ist auch eine andere Vorrichtung zum Verbinden einer optischen Faser mit einem auf einer Unterlage angeordneten optoelektronischen Bauelement (DE-PS 2930317, G02B, 7/26). Sie besteht im wesentlichen aus einem das optoelektronische Bauelement umgebenden, auf einer Unterlage befestigten ringförmigen Körper und einem auf diesen festlegbaren, die in einem Stift fixierbare, aus diesem endseitig herausragende Faser aufnehmenden Ring.

Diese Lösung gehört ebenfalls zu dem Typ von Anordnungen, bei dem zur Kopplung der Lichtleitfaser mit dem optoelektronischen Bauelement zusätzliche Halte- und Führungsteile verwendet werden und die Fixierung der beiden Funktionsteile durch feste Verbindung eines Führungsteils der Faserhalterung mit einem das Bauelement aufnehmenden Gehäuseteil erfolgt. Die Koppelanordnung ist hier an ein bestimmtes Bauelementgehäuse gebunden, das selbst Teil der Koppelanordnung ist. Mit der Kopplung erfolgt gleichzeitig die Hermetisierung des Bauelementgehäuses gegen Umwelteinflüsse.

Bei derart konzipierten Anordnungen werden, abgeleitet von der erforderlichen Justiergenauigkeit, hohe Toleranzforderungen an die Abmessungen der Halte- und Führungsteile sowie der zur Kopplung benutzten Gehäuseteile gestellt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine universell einsetzbare Anordnung zur Kopplung eines optoelektronischen Sendebauelementes, vorzugsweise Halbleiterinjektionslaser, mit einem Lichtwellenleiter, vorzugsweise Glasfaser, verfügbar zu haben, die bei Anwendung einfacher Mittel 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-jum-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 Aufgabe wird gelöst durch eine Koppelanordnung, die im wesentlichen aus einem Zwischenträger, auf dem das optoelektronische Bauelement montiert ist, und einer Faserhalterung, in der der Lichtwellenleiter eingebettet ist, besteht.

Erfindungsgemäß ist die Faserhalterung stirnseitig fest mit dem Zwischenträger an dessen parallel zur Lichtaustrittsfläche des Bauelementes verlaufender Fläche direkt verbunden, derart, daß diese Koppelanordnung eine festgefügte selbständige Baueinheit bildet und als solche in ein Bauelementgehäuse der gewünschten Art montierbar ist. Die Faserhalterung ist aus einem koppelseittgen Außenrohr und einem aus dessen rückwärtiger Stirnseite austretenden Innenrohr geringeren Durchmessers zusammengesetzt, wobei der Lichtwellenleiter mit seinem entmantelten Endabschnitt bei Freilassung des Einkoppelbereiches hermetisch und zugentlastet in dem Außenrohr eingebettet und mit seinem anschließenden ummantelten Abschnitt in dem Innenrohr aufgenommen ist.

Der z-Abstand zwischen Lichtaustrittsfläche des Bauelementes und Lichtwellenleiter ist durch die Lage des Sendebauelementes auf dem Zwischenträger und den definiert festgelegten Abstand des Lichtwellenleiterendes zur Berührungsfläche der Faserhalterung mit dem Zwischenträger vorgegeben.

Damit der zweidimensionalex,y-Abstand 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 (10/i.m), d. h. sie sollten eben geschliffen bzw. poliert sein. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die bei optimaler Koppeleffektivität von Sendebauelement und Lichtwellenleiter vorzunehmende feste Verbindung der Faserhalterung mit dem Zwischenträger durch Laserimpulsschweißen zu vollziehen, wodurch eine thermische Belastung der Funktionsteile vermieden wird.

In weiterer Ausgestaltung der Koppelanordnung ist das Außenrohr der Faserhalterung koppelseitig von seiner Mantelfläche her ist zur Berührungsfläche mit dem Zwischenträger zur Bildung eines Fensters schräg angeschnitten.

Als Grundkörper der Faserhalterung läßt sich mit Vorteil eine handelsübliche rohrförmige Kondensatordurchführung mit verlängertem Innenrohr verwenden.

Der Zwischenträger ist vorzugsweise ein oberflächenveredelter Kupferblock, der in seiner Größe den Bedürfnissen der Handhabbarkeit und der Montierbarkeit in einem vorgegebenen Gehäuseaufbau angepaßt ist.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Koppelanordnung weist gegenüber bekannten Lösungen wesentliche Vorteile auf.

Ohne Verwendung zusätzlicher Halte- und Führungsteile und ohne Einbeziehung von Teilen eines Bauelementgehäuses ist die Faserhalterung direkt mit dem das optoelektronische Sen'debauelement tragenden Zwischenträger verbunden. Die Gestaltung der die Koppelanordnung bildenden beiden Funktionsteile gestattet dabei Justierung und Fixierung im Toleranzbereich um 1 μΐη. Die eine selbständige Baueinheit darstellende Koppelanordnung kann als Ganzes auf Funktionsfähigkeit geprüft und dann in ein beliebiges Bauelement eingebaut werden. Die Befestigung innerhalb des Gehäuses erfolgt über den Zwischenträger und ist technologisch völlig unkritisch, da die Justierung und Fixierung von Lichtleitfaser und Bauelement bei optimaler Koppeleffektivität bereits außerhalb des Gehäuses vollzogen wurde.

Die Montage erfordert keine aufwendige Justierung. Fertigungsbedingte Maßabweichungen lassen sich leicht durch die Einbaulage der Koppelanordnung im Bauelementgehäuse kompensieren. Ein weiterer technologischer Vorteil ist darin zu sehen, daß eine beliebige Anzahl wie beschrieben aufgebauter und vorbereiteter Zwischenträger und hermetischer Faserhalterungen hergestellt, geprüft und für eine Koppelanordnung vorselektiert werden kann. Aus diesem Vorrat können dann Paarungen für optimalen z-Abstand zwischen Bauelement und Lichtleitfaser gebildet werden.

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-^m-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>m 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 Α_Ί mit verlängertem Innenrohr 6. Der Einsatz dieser Kondensatordurchführung bietet mehrere Vorteile. Da das Teil mit einer Standardtechnologie gefertigt wird und keine finden 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 Umgebungstemperatur 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 Scherkräfte 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 Lagertoleranzen der Koppelanordnung in einem Bauelementgehäuse.

Claims (4)

1. Anordnung zur Kopplung eines optoelektronischen Sendebauelementes mit einem Lichtwellenleiter, bestehend aus einem das Bauelement aufnehmenden Zwischenträger und einer Faserhalterung, in der der Lichtwellenleiter 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 direkt verbunden ist derart, daß diese Koppelanordnung eine selbständige Baueinheit bildet, wobei die Faserhalterung aus einem koppelseitigen Außenrohr und einem aus dessen rückwärtiger Stirnseite austretenden Innenrohr geringeren Durchmessers zusammengesetzt ist und der Lichtwellenleiter hermetisch und zugentlastet in dieser Faserhalterung eingebettet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Außenrohr der Faserhalterung koppelseitig von seiner Mantelfläche her bis zur Berührungsfläche mit dem Zwischenträger zur Bildung eines Fensters schräg angeschnitten ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Grundkörper der Faserhalterung eine handelsübliche rohrförmige Kondensatordurchführung mit verlängertem Innenrohr verwendet wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Zwischenträger ein oberflächenveredelter Kupferblock ist.