DD284541A5

DD284541A5 - ARRANGEMENT FOR THE OPTICAL COUPLING OF A TWO-SIDED LIGHT-EMITTING DIODE TO A LIGHT WAVEGUIDE

Info

Publication number: DD284541A5
Application number: DD32906689A
Authority: DD
Inventors: Dieter Eberlein; Dieter Kurth
Original assignee: Veb Funkwerk Koepenick,Zft Nachrichtenelektronik,Dd
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1990-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum optischen Koppeln einer zweiseitig lichtemittierenden Diode an einen Lichtwellenleiter, zum Anregen einer hohen, im Lichtwellenleiter gefuehrten Lichtleistung mit passiven optischen Elementen. Erfindungsgemaesz sind beiden optisch wirksamen Flaechen einer zweiseitig lichtemittierenden Diode jeweils ein erster Parabolspiegel, diesen ersten Parabolspiegeln jeweils ein zweiter Parabolspiegel und die zweiten Parabolspiegel einem Lichtwellenleiter gegenueberliegend angeordnet. Die optischen Achsen dieser optischen Elemente sind dabei derart zueinander ausgerichtet, dasz die von der zweiseitig lichtemittierenden Diode ausgehenden Strahlungskegel hinsichtlich ihrer Strahlungswinkel entgegengesetzt, asymmetrisch transformiert, anschlieszend zusammengesetzt und orts- und winkelangepaszt in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Dadurch wird im Lichtwellenleiter eine hohe, gefuehrte Lichtleistung angeregt. Fig. 1{Lichtleistung; Lichtwellenleiter; lichtemittierende Diode; optisches Koppeln; Parabolspiegel; Strahlungswinkel, transformiert; Strahlungswinkel, zusammengesetzt}The invention relates to an arrangement for optically coupling a two-sided light-emitting diode to an optical waveguide, for exciting a high optical power guided in the optical waveguide with passive optical elements. According to the invention, a first parabolic mirror, in each case a second parabolic mirror, and the second parabolic mirrors are disposed opposite an optical waveguide to both optically effective surfaces of a two-sided light-emitting diode. The optical axes of these optical elements are aligned with each other so that the emanating from the two-sided light emitting diode radiation cone opposite in terms of their radiation angles, asymmetrically transformed, anschlieszend assembled and coupled with location and angle are coupled into the optical waveguide. As a result, a high, guided light power is excited in the optical waveguide. Fig. 1 {light output; Optical fiber; light emitting diode; optical coupling; parade; Radiation angle, transformed; Beam angle, composed}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum optischen Koppeln einer zweiseitig lichtemittierenden Diode an einen Lichtwellenleiter, die insbesondere zum Anregen einer hohen, im Lichtwellenleiter geführten Lichtleistung mit geringem Energieaufwand anzuwenden ist. Sie ist zum Herstellen optischer Sender in Modulbauweise geeignet, die einen hohen Wirkungsgrad insbesondere dadurch aufweisen, daß beide optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode genutzt werden und die Anordnung einen hohen Koppelwirkungsgrad zwischen den optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode und dem Lichtwellenleiter durch aberrationsfreies, orts- und winkelangepaßtes optisches Koppeln ermöglicht.The invention relates to an arrangement for optically coupling a two-sided light-emitting diode to an optical waveguide, which is to be used in particular for exciting a high, guided in the optical waveguide light output with low energy consumption. It is suitable for the manufacture of optical transmitters in modular design, which have a high efficiency in particular in that both optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode are used and the arrangement has a high coupling efficiency between the optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode and the optical waveguide by aberrationfreies, location- and angle-matched optical coupling allows.

Auf Grund der Ausdehnung der optisch wirksamen Flächen und ihrer optischen Winkelbereiche wird durch einen hohen Koppelwirkungsgrad trotz der Konstanz der Strahldichte und der im Phasenraumelement geführten Lichtleistung im Lichtwellenleiter mit geringem Energieaufwand eine hohe, geführte Lichtleistung angeregt.Due to the expansion of the optically active surfaces and their optical angle ranges, a high, guided light output is excited by a high coupling efficiency despite the constancy of the beam density and the guided in the phase space element light power in the optical waveguide with low energy consumption.

Rückwirkungen des Lichtwellenleiters auf die lichtemittierende Diode sind gering und gewährleisten einen stabilen Betrieb bei der Verwendung einer Laserdiode als lichtemittierende Diode.Repersections of the optical waveguide on the light-emitting diode are low and ensure stable operation when using a laser diode as a light-emitting diode.

Es wird ein hohes, die Effektivität optischer Nachrichtenübertragungsstrecken beeinflussendes Leistungs-Systemwerte-Verhältnis erreicht, und es können mit geringem Energieaufwand große optische Nachrichtenübertragungsstrecken ohne Zwischengeneratoren mit großer Systemreserve realisiert werden.It is achieved a high, the effectiveness of optical communication links affecting power system value ratio, and it can be realized with little energy overhead large optical communication links without intermediate generators with large system reserve.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es ist allgemein bekannt, daß Laserdioden und Lumineszenzdioden in Streifenstruktur in ihrem prinzipiellen Aufbau ähnlich sind und zwei sich gegenüberliegende lichtemittierende Flächen aufweisen. Ihr wesentlicher Unterschied besteht im wellenlängenselektiven Element—dem Resonator. Er wird bei der Laserdiode von zwei teilreflektierenden ebenen und parallelen Spiegeln gebildet. Die Lichtleistung dieser beiden optisch wirksamen Flächen ist näherungsweise gleich, vgl. Geckeier: Lichtwellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung, Springer-Verlag, Berlin, 1986, S.228.It is well known that strip-type laser diodes and light emitting diodes are similar in their basic structure and have two opposite light-emitting surfaces. Their main difference is the wavelength-selective element-the resonator. It is formed at the laser diode of two partially reflecting plane and parallel mirrors. The light output of these two optically active surfaces is approximately equal, cf. Geckeier: Fiber optics for optical communication, Springer-Verlag, Berlin, 1986, p.228.

Wegen möglicher Inhomogenitäten im Material oder im Schichtaufbau beziehungsweise durch einen unsymmetrischen Stromfluß durch die aktive Zone kann es hinsichtlich der Lichtausgangsleistung in beiden Richtungen zu Abweichungen kommen, die jedoch meist weniger als 5% betragen, vgl. Kersten: Einführung in die optische Nachrichtenübertragung, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1983, S. 239 ff.Because of possible inhomogeneities in the material or in the layer structure or by an asymmetrical current flow through the active zone, there may be deviations in terms of the light output in both directions, which are usually less than 5%, cf. Kersten: Introduction to optical communication, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1983, p. 239 ff.

Andererseits ist bekannt, daß die Strahldichte und die im Phasenraumelement geführte Lichtleistung einer lichtemittierenden Quelle konstant sind, vgl. Grimm, Nowak: Lichtwellenleitertechnik, VEB Verlag Technik, Berlin, 1988, S. 199. Daraus folgt, daß die bezüglich Ort und Winkel identischen Strahldichteverteilungen der aus den optisch wirksamen Flächen einer zweiseitig lichtemittierenden Diode austretenden Strahlungsleistungen beziehungsweise Lichtleistungen hinsichtlich einer erhöhten Strahldichte nicht überlagert werden können. Eine Verdopplung oder Erhöhung der Strahldichte mit passiven optischen Elementen ist nicht möglich, da aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgt, daß ein passives optisches Element die Strahldichte einer Lichtquelle höchstens erhalten, aber niemals vergrößern kann, vgl. Geckeier, a. a. 0., S. 219ff. Dennoch ist bereits ein Lichtleitelement, insbesondere für Lasersender in Modulbauweise bekannt, mit dem beabsichtigt ist, die in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Lichtmenge durch beidseitige Lichteinkopplung zu verdoppeln, vgl. DE-OS 3729009; G 02 B - 6/42. Ein Verdoppeln der in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtmenge ist jedoch nicht möglich, da die Lichtmenge das Produkt aus Lichtstrom und Strahlungsdauer und der Lichtstrom der Leuchtdiode proportional ist. Der lichttechnischen Leuchtdiode ist die Strahldichte äquivalent und diese ist bezüglich der von einer lichtemittierenden Quelle erzeugten Strahlung konstant.On the other hand, it is known that the radiance and the light power conducted in the phase space element of a light-emitting source are constant, cf. Grimm, Nowak: optical waveguide technology, VEB Verlag Technik, Berlin, 1988, p. 199. It follows that the radiation density distributions, which are identical in terms of location and angle, are not superimposed on the radiation density or light powers emerging from the optically active surfaces of a two-sided light-emitting diode with respect to an increased radiance can. Doubling or increasing the beam density with passive optical elements is not possible since it follows from the second law of thermodynamics that a passive optical element can at most receive the beam density of a light source but can never increase it, cf. Geckeier, a. a. 0., p. 219ff. Nevertheless, a light guide element, in particular for laser transmitters in modular design, is already known with which it is intended to double the amount of light coupled into the optical waveguide by light coupling on both sides, cf. DE-OS 3729009; G 02 B - 6/42. However, it is not possible to double the amount of light coupled into the optical waveguide, since the amount of light is proportional to the product of luminous flux and duration of radiation and the luminous flux of the light-emitting diode. The light-emitting diode is equivalent to the radiance and this is constant with respect to the radiation generated by a light-emitting source.

Darüber hinaus kann mit dem Lichtleitelement nur ein geringer Koppelwirkungsgrad beziehungsweise Einkoppelwirkungsgrad erreicht werden, da zahlreiche Verluste auftreten. Die Lichteintrittsflächen des Lichtleitelementes stehen den Lichtaustrittsflächen der Laserdiode parallel gegenüber. Der dadurch eintretende Fabry-Perot-Effekt führt neben einer Dämpfung zu Rückwirkungen auf die Laserdiode und beeinträchtigt die Stabilität ihrer Arbeitsweise. Ein zweiter Glas-Luft-Übergang zwischen dem Lichtleitelement und dem Lichtwellenleiter erhöht die Dämpfung durch Fresnelreflexionen. Weiterhin werden durch mehrfaches Vergrößern des Strahlungswinkels durch Reflexion im Lichtleitelement erhebliche Verluste verursacht. Der Strahlungswinkel an der Lichtaustrittsfläche des Lichtleitelementes überschreitet den Akzeptanzbereich des Lichtwellenleiters wesentlich. Auch die V-förmige Gestalt des Lichtleitelementes führt zusätzlich zu einer Überschreitung des Winkelbereiches. Darüber hinaus ist das Lichtleitelement zur flächenmäßigen Anpassung an den Lichtwellenleiter taperförmig ausgebildet. Daraus resultieren zusätzlich eine Winkelaufspreizung und eine Verluste hervorrufende Überschreitung des Akzeptanzbereiches des Lichtwellenleiters.In addition, only a low coupling efficiency or coupling efficiency can be achieved with the light guide, since numerous losses occur. The light entry surfaces of the light guide are parallel to the light exit surfaces of the laser diode. The resulting Fabry-Perot effect leads, in addition to damping, to repercussions on the laser diode and impairs the stability of its mode of operation. A second glass-air transition between the light guide and the optical waveguide increases the attenuation by Fresnel reflections. Furthermore, considerable losses are caused by multiple enlargement of the radiation angle by reflection in the light guide. The radiation angle at the light exit surface of the light-guiding element substantially exceeds the acceptance range of the optical waveguide. The V-shaped design of the light-guiding element additionally leads to an exceeding of the angular range. In addition, the light-guiding element is designed to taper in areal adaptation to the optical waveguide. This results in addition to an angular spread and a loss causing exceeding the acceptance range of the optical waveguide.

Nicht alle von beiden optisch wirksamen Flächen der Laserdiode ausgehenden Strahlen erreichen die Lichtaustrittsfläche des Lichtleitelementes. Sowohl im Bereich der Monitordioden als auch im sich verjüngenden Bereich des Lichtleitelementes treten Strahlungsanteile aus dem Lichtleitelement aus.Not all of the two optically active surfaces of the laser diode emanating rays reach the light exit surface of the light guide. Both in the region of the monitor diodes and in the tapering region of the light-guiding element, radiation components exit from the light-guiding element.

Durch die zickzackförmige Ausbreitung der Strahlung im Lichtleitelement wird die Strahldichteverteilung der optisch wirksamen Flächen der Laserdiode Undefiniert zur Lichtaustrittsfläche des Lichtleitelementes transformiert, so daß die von beiden optisch wirksamen Flächen bereitgestellte Lichtleistung vom Lichtwellenleiter nicht geführt werden kann.The zigzag propagation of the radiation in the light guide element transforms the radiance distribution of the optically active surfaces of the laser diode into the light exit surface of the light guide element so that the light power provided by the two optically active surfaces can not be guided by the optical waveguide.

Mit dem Lichtleitelement kann folglich nur ein geringer Koppel- beziehungsweise Einkoppelwirkungsgrad erreicht werden, und es kann eingeschätzt werden, daß auf Grund der zahlreichen Verluste nur ein geringer Anteil der von beiden optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode ausgehenden Lichtleistung vom Lichtwellenleiter geführt wird. Die Anordnung ist nur für geringe Bandbreitebereiche anwendbar, da auf Grund der durch das Lichtleitelement bedingten Dispersion eine große Wellenlängenabhängigkeit besteht. Darüber hinaus ist das Lichtleitelement nur mit hohem Aufwand herstell- und montierbar.Consequently, only a small coupling or coupling efficiency can be achieved with the light-guiding element, and it can be estimated that only a small portion of the light output from both optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode is guided by the optical waveguide due to the numerous losses. The arrangement is only applicable for small bandwidth ranges, since there is a large wavelength dependence due to the dispersion caused by the light-guiding element. In addition, the light guide can be produced and assembled only with great effort.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, mit geringem Aufwand zwischen einer zweiseitig lichtemittierenden Diode und einem Lichtwellenleiter einen hohen Koppelwirkungsgrad zu realisieren, um im Lichtwellenleiter eine hohe, geführte Lichtleistung anzuregen und mit geringem Energieaufwand große optische Nachrichtenübertragungsstrecken ohne Zwischenregeneratoren mit hoher Systemreserve zu realisieren.The aim of the invention is to realize a low coupling between a two-sided light-emitting diode and an optical waveguide high coupling efficiency to excite a high, guided light power in the optical waveguide and to realize with little energy cost large optical communication links without repeaters with high system reserve.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum optischen Koppeln einer zweiseitig lichtemittierenden Diode an einen Lichtwellenleiter zu schaffen, die das Anregen einer hohen, im Lichtwellenleiter geführten Lichtleistung ohne Erhöhung der Strahldichte der zweiseitig lichtemittierenden Diode mit ausschließlich passiven optischen Elementen durch Erhöhung desThe object of the invention is to provide an arrangement for optically coupling a two-sided light-emitting diode to an optical waveguide, which stimulates a high, guided in the optical waveguide light power without increasing the radiance of the two-sided light-emitting diode with only passive optical elements by increasing the

Koppelwirkungsgrades und trotzdem ohne sphärische und chromatische Aberration und für einen großen Bandbreitebereich ermöglicht und als integrierte optische Baugruppe hergestellt werden kann.Coupling efficiency and yet allows spherical and chromatic aberration and a wide bandwidth range and can be produced as an integrated optical assembly.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß den beiden optisch wirksamen Flächen einer zweiseitig lichtemittierenden Diode jeweils auf ihrer optischen Achse in einem Winkel ein erster Parabolspiegel, diesen ersten Parabolspiegeln jeweils ein zweiter Parabolspiegel und die zweiten Parabolspiegel der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters gegenüberliegend angeordnet sind. Die Scheitel der ersten Parabolspiegel befinden sich jeweils zu einer optisch wirksamen Fläche der zweiseitig lichtemittierenden Diode in einem ihrer Brennweite entsprechenden Abstand. Der Abstand zwischen einem ersten Parabolspiegel und dem ihm gegenüberliegenden zweiten Parabolspiegel ist jeweils gleich der Summe ihrer Brennweiten, und die Scheitel der zweiten Parabolspiegel weisen zum Mittelpunkt der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters einen ihrer Brennweite entsprechenden Abstand auf. Die optisch wirksamen Flächen der zweiten Parabolspiegel grenzen auf der optischen Achse des Lichtwellenleiters aneinander, und die optischen Achsen der ersten Parabolspiegel sind jeweils mit einer Winkelhalbierenden übereinstimmend ausgerichtet, die zwischen der optischen Achse einer optisch wirksamen Fläche der zweiseitig lichtemittierenden Diode und einer geraden Verbindungslinie zwischen dem Scheitel eines ersten Parabolspiegels und dem Scheitel des ihm gegenüberliegenden zweiten Parabolspiegels gebildet wird. Die optischen Achsen der zweiten Parabolspiegel sind übereinstimmend mit einer Winkelhalbierenden ausgerichtet, die zwischen der Geraden Verbindungslinie zwischen dem Scheitel eines ersten und eines zweiten Parabolspiegels sowie einer den Scheitel eines zweiten Parabolspiegels mit dem Mittelpunkt der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters verbindenden Geraden gebildet wird.According to the invention this object is achieved in that the two optically active surfaces of a two-sided light-emitting diode respectively on their optical axis at an angle a first parabolic mirror, these first parabolic mirrors respectively a second parabolic mirror and the second parabolic mirror of the optically active surface of the optical waveguide are arranged opposite. The vertices of the first parabolic mirrors are each located at an optically effective area of the two-sided light-emitting diode at a distance corresponding to their focal length. The distance between a first parabolic mirror and the second parabolic mirror opposite it is in each case equal to the sum of their focal lengths, and the vertices of the second parabolic mirrors have a distance corresponding to their focal length to the center of the optically active surface of the optical waveguide. The optically active surfaces of the second parabolic mirrors adjoin one another on the optical axis of the optical waveguide, and the optical axes of the first parabolic mirrors are respectively aligned with an angle bisector which is between the optical axis of an optically active surface of the double sided light emitting diode and a straight connecting line between the optical fiber Vertex of a first parabolic mirror and the apex of the opposite second parabolic mirror is formed. The optical axes of the second parabolic mirrors are aligned in line with an angle bisector formed between the straight line connecting the vertex of a first and a second parabolic mirror and a straight line connecting the apex of a second parabolic mirror with the center of the optically active surface of the optical waveguide.

Das Verhältnis der Brennweite eines zweiten Parabolspiegels zur Brennweite eines ersten Parabolspiegels, dem er gegenüberliegend angeordnet ist, ist vorzugsweise gleich der vierten Wurzel aus einem Quotienten, der von einem die optisch wirksame Fläche des Lichtwellenleiters und die Sinuswerte der Strahlungswinkel in zueinander senkrechten Richtungen einer der beiden optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode enthaltenden Produkt und einem Produkt von einer der beiden optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode mit dem Quadrat des Sinuswertes von der Hälfte des Akzeptanzwinkels des Lichtwellenleiters gebildet ist.The ratio of the focal length of a second parabolic mirror to the focal length of a first parabolic mirror, to which it is arranged opposite, is preferably equal to the fourth root of a quotient, that of one of the optically active surface of the optical waveguide and the sine values of the radiation angles in mutually perpendicular directions of either optically effective surfaces of the two-sided light-emitting diode containing product and a product of one of the two optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode is formed with the square of the sine value of half the acceptance angle of the optical waveguide.

Zur Anpassung der in der Regel rechteckförmigen optisch wirksamen Flächen zweiseitig lichtemittierender Dioden an die runde Form der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters sind die ersten und die zweiten Parabolspiegel vorzugsweise elliptische Parabolspiegel und die Achsen der Ellipsen erster elliptischer Parabolspiegel um neunzig Grad um ihre optische Achse zu der entsprechenden Achse der Ellipse zweiter elliptischer Parabolspiegel gestellt und die optische Achse des Lichtwellenleiters, der zweiseitig lichtemittierenden Diode sowie die optischen Achsen erster und zweiter elliptischer Parabolspiegel in einer Ebene angeordnet. Eine Brennweite der elliptischen Parabolspiegel ist dann jeweils gleich dem geometrischen Mittel aus der kleinen und der großen Brennweite des elliptischen Parabolspiegels. Vorzugsweise stimmen jeweils die ersten Brennweiten und jeweils die zweiten Brennweiten überein, so daß die Anordnung symmetrisch zur optischen Achse des Lichtwellenleiters aufgebaut ist.In order to adapt the generally rectangular optically effective areas of two-sided light-emitting diodes to the round shape of the optically active surface of the optical waveguide, the first and second parabolic mirrors are preferably elliptical parabolic mirrors and the axes of the ellipses first elliptical parabolic mirror ninety degrees about their optical axis to the corresponding axis of the ellipse second elliptical parabolic mirror and the optical axis of the optical waveguide, the two-sided light-emitting diode and the optical axes of the first and second elliptical parabolic mirror arranged in a plane. A focal length of the elliptical parabolic mirrors is then in each case equal to the geometric mean of the small and the large focal length of the elliptical parabolic mirror. Preferably, in each case the first focal lengths and in each case the second focal lengths coincide, so that the arrangement is constructed symmetrically to the optical axis of the optical waveguide.

Ein aus den beiden optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode austretender Strahlungskegel gelangt jeweils auf einen ersten Parabolspiegel, der im Abstand seiner Brennweite zu der optisch wirksamen Fläche der zweiseitig lichtemittierenden Diode in einem Winkel angeordnet ist. Jeweils die von einem ersten Parabolspiegel reflektierten Strahlen verlaufen parallel und treffen auf einen ebenfalls in einem Winkel angeordneten, zweiten Parabolspiegel, der im Abstand der Summe der Brennweiten des ersten und zweiten Parabolspiegels angeordnet ist. Die optisch wirksamen Flächen der zweiten Parabolspiegel sind aneinandergrenzend angeordnet, und die von ihnen reflektierten Strahlen treffen konvergierend auf die optisch wirksame Fläche des Lichtwellenleiters, der sich im Abstand der Brennweite der zweiten Parabolspiegel befindet. Durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses zwischen den Brennweiten der ersten und zweiten Parabolspiegel wird dann eine gleichzeitige Anpassung der optisch wirksamen Flächen und der Strahlungswinkel der zweiseitig lichtemittierenden Diode an die optisch wirksame Fläche und den Akzeptanzwinkel des Lichtwellenleiters erreicht, die die Voraussetzung für einen hohen Koppelwirkungsgrad und das Erreichen einer hohen, im Lichtwellenleiter geführten Lichtleistung mit geringem Energieaufwand ist. Die Anordnung ermöglicht somit gleichzeitig neben der Realisierung eines bestimmten Abbildungsmaßstabes aberrationsfrei eine Transformation optischer Winkelbereiche, und der daraus resultierende hohe Koppelwirkungsgrad ermöglicht es, mit geringem Energieaufwand große optische Nachrichtenübertragungsstrecken ohne Zwischenregeneratoren mit hoher Systemreserve zu realisieren. Die Anordnung ist aberrationsfrei und kann in einem großen Bandbreitebereich eingesetzt werden. Sie ist als integrierte optische Baugruppe herstellbar und erfordert einen relativ geringen Herstellungs- und Montageaufwand.A radiation cone emerging from the two optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode respectively reaches a first parabolic mirror, which is arranged at an angle of its focal length to the optically effective surface of the two-sided light-emitting diode. In each case, the rays reflected by a first parabolic mirror run parallel and strike a likewise arranged at an angle, second parabolic mirror, which is arranged at a distance from the sum of the focal lengths of the first and second parabolic mirror. The optically active surfaces of the second parabolic mirrors are arranged adjacent to one another, and the rays reflected by them converge on the optically active surface of the optical waveguide which is at a distance from the focal length of the second parabolic mirrors. By choosing a suitable ratio between the focal lengths of the first and second parabolic mirrors, a simultaneous adaptation of the optically active surfaces and the radiation angles of the two-sided light-emitting diode to the optically effective surface and the acceptance angle of the optical waveguide is achieved, which is the prerequisite for a high coupling efficiency and the achievement of a high, guided in the optical waveguide light output with low energy consumption. Thus, in addition to the realization of a certain magnification, the arrangement also enables aberration-free transformation of optical angle ranges, and the resulting high coupling efficiency makes it possible to realize large optical message transmission distances without intermediate repeaters with high system reserve with low energy consumption. The arrangement is aberration-free and can be used in a wide bandwidth range. It can be produced as an integrated optical assembly and requires a relatively low manufacturing and assembly costs.

Ausführungsbeispielembodiment

Anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigenReference to an embodiment shown in the drawings, the invention will be explained in more detail. Show it

Fig. 1: Prinzipskizze einer Anordnung zum optischen Koppeln einer zweiseitig lichtemittierenden Diode Dan einenFig. 1: Schematic diagram of an arrangement for optically coupling a two-sided light emitting diode Dan a

Lichtwellenleiter LWL und Fig. 2: Phasenraumdiagramme.Optical waveguide LWL and Fig. 2: Phase space diagrams.

Eine Anordnung zum optischen Koppeln einer zweiseitig lichtemittierenden Diode D an einen Lichtwellenleiter LWL, um im Lichtwellenleiter LWL eine hohe, geführte Lichtleistung anzuregen, besteht Fig. 1 entsprechend aus einer Anordnung von vier Parabolspiegeln PS 1,1; PS 1,2; PS 2,1; PS 2,2. In dieser Anordnung sind jeweils ein erster Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 den optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D, den ersten Parabolspiegeln PS 1,1; PS 1,2 jeweils ein zweiter Parabolspiegel PS 2,1; PS 2,2 und die zweiten Parabolspiegel PS2,1; PS 2,2 der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters LWL gegenübergestellt.An arrangement for optically coupling a two-sided light-emitting diode D to an optical waveguide LWL, in order to excite a high, guided light power in the optical waveguide LWL, consists correspondingly of an arrangement of four parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2; PS 2.1; PS 2.2. In this arrangement, each of a first parabolic mirror PS 1.1; PS 1.2 the optically effective surfaces of the two-sided light-emitting diode D, the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2 each have a second parabolic mirror PS 2.1; PS 2.2 and the second parabolic mirrors PS2,1; PS 2.2 of the optically active surface of the optical fiber LWL faced.

Die Anordnung ist symmetrisch aufgebaut und die ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 befinden sich mit ihrem Scheitel jeweils auf einer in Fig. 1 durch Strichpunktlinien dargestellten optischen Achse einer optisch wirksamen Fläche der zweiseitig lichtemittierenden Diode D, in einem ihrer Brennweite entsprechenden Abstand zur ihnen gegenüberliegenden optischThe arrangement is symmetrical and the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2 are located with their apex each on a in Fig. 1 by dashed lines shown optical axis of an optically active surface of the two-sided light-emitting diode D, in a focal distance corresponding to their opposite optical

wirksamen Fläche der zweiseitig lichtemittierenden Diode D. Die ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 sind zu den optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D schräg gestellt und ihre optische Achse ist jeweils mit einer Winkelhalbierenden übereinstimmend ausgerichtet, die zwischen der optischen Achse einer optisch wirksamen Fläche der zweiseitig lichtemittierenden Diode D und einer geraden Verbindungslinie zwischen dem Scheitel eines ersten Parabolspiegels PS 1,1; PS 1,2 und dem Scheitel des ihm gegenüberliegenden zweiten Parabolspiegels PS2,1; PS 2,2 gebildet wird. Die gerade Verbindungslinie ist in Fig. 1 als gestrichelt gezeichnete Linie dargestellt. Der Abstand zwischen dem Scheitel eines ersten Parabolspiegels PS 1,1; PS 1,2 und dem Scheiteides ihm gegenüberliegenden zweiten Parabolspiegels PS 2,1; PS 2,2 entspricht der Summe ihrer Brennweiten.effective area of the two-sided light-emitting diode D. The first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1,2 are inclined to the optically effective surfaces of the two-sided light-emitting diode D and their optical axis is aligned in each case with an angle bisecting between the optical axis of an optically active surface of the two-sided light-emitting diode D and a straight line connecting the vertex a first parabolic mirror PS 1.1; PS 1, 2 and the apex of the second parabolic mirror PS 2, 1 opposite thereto; PS 2.2 is formed. The straight connecting line is shown in Fig. 1 as a dashed line. The distance between the vertex of a first parabolic mirror PS 1.1; PS 1.2 and the side opposite him second parabolic mirror PS 2.1; PS 2.2 equals the sum of their focal lengths.

Die zweiten Parabolspiegel PS2,1; PS 2,2 weisen von ihren Scheiteln zum Mittelpunkt der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters LWL einen ihrer Brennweite entsprechenden Abstand auf und ihre optischen Achsen stimmen jeweils mit einer Winkelhalbierenden überein, die jeweils zwischen der geraden Verbindungslinie der Scheitel erster Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 und zweiter Parabolspiegel PS 2,1; PS 2,2 sowie einer den Scheitel eines zweiten Parabolspiegels PS 2,1; PS 2,2 mit dem Mittelpunkt der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters LWL verbindenden Geraden gebildet werden kann. Diese verbindenden Geraden sind in Fig. 1 ebenfalls als gestrichelt gezeichnete Linien dargestellt. Die zweiten Parabolspiegel PS2,1; PS 2,2 sind auf der optischen Achse der optisch wirksamen Fläche des Lichtwellenleiters LWL aneinandergrenzend angeordnet, und die Brennweite eines der zweiten Parabolspiegel PS2,1; PS 2,2 weist zur Brennweite des ihm gegenüberliegenden, der ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 ein Verhältnis auf, welches gleich der vierten Wurzel aus einem Quotienten ist, der aus einem die optisch wirksame Fläche des Lichtwellenleiters LWL und die Sinuswerte der Strahlungswinkel in zueinander senkrechten Richtungen einer der beiden optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D enthaltenden Produkt und aus einem Produkt aus einer der beiden optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D und dem Quadrat des Sinuswertes von der Hälfte des Akzeptanzwinkels des Lichtwellenleiters LWL besteht.The second parabolic mirrors PS2,1; PS 2.2 have from their apex to the center of the optically active surface of the optical waveguide LWL a distance corresponding to their focal length and their optical axes each coincide with an angle bisector, each between the straight line connecting the vertices of the first parabolic mirror PS 1.1; PS 1.2 and second parabolic mirror PS 2.1; PS 2.2 and one of the apex of a second parabolic mirror PS 2.1; PS 2.2 can be formed with the center of the optically active surface of the optical fiber LWL connecting lines. These connecting straight lines are also shown in FIG. 1 as dashed lines. The second parabolic mirrors PS2,1; PS 2, 2 are juxtaposed on the optical axis of the optically active surface of the optical waveguide LWL, and the focal length of one of the second parabolic mirrors PS2, 1; PS 2.2 has the focal length of the opposite, the first parabolic mirror PS 1.1; PS 1.2 a ratio which is equal to the fourth root of a quotient of a product containing the optically active surface of the optical waveguide LWL and the sine values of the radiation angles in mutually perpendicular directions of one of the two optically active surfaces of the double-sided light-emitting diode D. and consists of a product of one of the two optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode D and the square of the sine value of half the acceptance angle of the optical waveguide LWL.

Zur Anpassung der rechteckförmigen optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D an die runde optisch wirksame Fläche des Lichtwellenleiters LWL sind die ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 und die zweiten Parabolspiegel PS 2,1; PS 2,2 in Fig. 1 nicht dargestellter Art und Weise elliptisch ausgebildet und die Achsen der Ellipsen erster elliptischer Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 um neunzig Grad um ihre optischen Achsen zur entsprechenden Achse der Ellipse zweiter elliptischer Parabolspiegel PS2,1; PS2,2 gestellt.To adapt the rectangular optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode D to the round optically effective surface of the optical waveguide LWL, the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2 and the second parabolic mirrors PS 2.1; PS 2.2 in Fig. 1, not shown elliptical manner and the axes of the ellipses of the first elliptical parabolic mirror PS 1.1; PS 1.2 at ninety degrees about its optical axes to the corresponding axis of the ellipse second elliptical parabolic mirror PS2,1; PS2,2 put.

Die eingangs der Beschreibung des Ausführungsbeispiels zur Vereinfachung genannten Brennweiten sind jeweils gleich dem geometrischen Mittel aus der großen und der kleinen Brennweite eines elliptischen Parabolspiegels PS 1,1; PS 1,2; PS 2,1; PS 2,2. Die elliptische Form der ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 und der zweiten Parabolspiegel PS 2,1; PS 2,2 sowie die Stellung der Ellipsen zueinander dienen vorrangig der Optimierung des Koppelwirkungsgrades, während mit der Anordnung der ersten und zweiten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2; PS 2,1; PS 2,2 eine winkelmäßige Ergänzung von Phasenräumen zum Anregen einer hohen, im Lichtwellenleiter LWL geführten Lichtleistung durchgeführt wird.The focal lengths given at the beginning of the description of the embodiment for simplification are each equal to the geometric mean of the large and the small focal length of an elliptical parabolic mirror PS 1.1; PS 1.2; PS 2.1; PS 2.2. The elliptical shape of the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2 and the second parabolic mirror PS 2.1; PS 2.2 and the position of the ellipses to each other serve primarily to optimize the coupling efficiency, while with the arrangement of the first and second parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2; PS 2.1; PS 2.2 an angular addition of phase spaces for exciting a high, guided in the optical waveguide optical fiber light power is performed.

Von den optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D gehen jeweils Strahlungskegel SKD aus, die die Lichtleistung der Strahldichte der zweiseitig lichtemittierenden Diode D repräsentieren. Sie gelangen jeweils auf einen der ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2, der sich im Abstand seiner Brennweite vor der optisch wirksamen Fläche der lichtemittierenden Diode D befindet. Dadurch verlaufen die jeweils von ersten Parabolspiegeln PS 1,1; PS 1,2 reflektierten Strahlen parallel und treffen in Form eines parallelisierten Lichtes LP auf zweite Parabolspiegel PS 2,1; PS2,2.From the optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode D radiance cone SKD each go out, representing the light output of the radiance of the two-sided light-emitting diode D. They each arrive at one of the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2, which is located at a distance of its focal length in front of the optically active surface of the light-emitting diode D. As a result, each of the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1.2 reflected beams in parallel and meet in the form of a parallelized light LP on second parabolic mirrors PS 2.1; PS2,2.

Einer der ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 ist zu einem zweiten Parabolspiegel PS2,1; PS 2,2 bezüglich der Scheitel im Abstand der Summe ihrer Brennweiten angeordnet.One of the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1,2 is connected to a second parabolic mirror PS2,1; PS 2.2 with respect to the vertices spaced apart the sum of their focal lengths.

Die optisch wirksamen Flächen der zweiten Parabolspiegel PS 2,1; PS2,2 sind auf der optischen Achse des Lichtwellenleiters LWL aneinandergrenzend angeordnet, und die von ihnen reflektierten Strahlen treffen in einen Strahlungskegel SKL konvergierend auf die optisch wirksame Fläche des Lichtwellenleiters LWL, der sich im Abstand der Brennweite der zweiten Parabolspiegel PS 2,1; PS2,2 befindet. Durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses zwischen den Brennweiten der ersten Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 und der zweiten Parabolspiegel PS2,1; PS2,2 wird dann eine gleichzeitige Anpassung der optisch wirksamen Flächen und der Strahlungswinkel der zweiseitig lichtemittierenden Diode D an die optisch wirksame Fläche und den Akzeptanzwinkel des Lichtwellenleiters LWL erreicht.The optically effective areas of the second parabolic mirrors PS 2.1; PS2,2 are arranged adjacent to each other on the optical axis of the optical waveguide LWL, and the rays reflected by them converge in a radiation cone SKL converging on the optically effective surface of the optical waveguide LWL, which is at a distance of the focal length of the second parabolic mirrors PS 2.1; PS2,2 is located. By choosing a suitable ratio between the focal lengths of the first parabolic mirrors PS 1.1; PS 1,2 and the second parabolic mirror PS2,1; PS2,2 is then a simultaneous adaptation of the optically active surfaces and the radiation angle of the two-sided light-emitting diode D to the optically effective surface and the acceptance angle of the optical waveguide LWL achieved.

Diese Anpassung ist die Voraussetzung dafür, daß mit einem hohen Koppelwirkungsgrad im Lichtwellenleiter LWL eine hohe, geführte Lichtleistung mit geringem Energieaufwand angeregt wird. Verluste durch Aberration treten nicht auf, da die Anordnung weder zu sphärischer noch chromatischer Aberration führt.This adaptation is the prerequisite for a high, guided light output is stimulated with low energy consumption with a high coupling efficiency in optical fiber LWL. Losses due to aberration do not occur because the arrangement does not lead to either spherical or chromatic aberration.

Der Effekt, daß trotz der Konstanz der Strahldichte und der im Phasenraumelement geführten Lichtleistung einer lichtemittierenden Quelle durch Nutzung beider optisch wirksamer Flächen einer zweiseitig lichtemittierenden Diode D mit geringem Energieaufwand im Lichtwellenleiter LWL eine hohe, geführte Lichtleistung angeregt wird, basiert darauf, daß mit der Anordnung entsprechend Fig. 2 die Strahlungswinkel der optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D entgegengesetzt asymmetrisch transformiert, zusammengesetzt und an den Lichtwellenleiter LWL angepaßt werden. Dadurch werden ein in der Regel gegenüber mindestens einer optisch wirksamen Fläche der lichtemittierenden Diode D vergrößerter Phasenraum PR des Lichtwellenleiters LWL ausgefüllt und mit geringem Energieaufwand im Lichtwellenleiter LWL eine hohe, geführte Lichtleistung angeregt, die eine der zweiseitig lichtemittierenden Diode D entsprechende Strahldichte aufweist. In Fig. 2 sind hierzu jeweils ein Phasenraumbereich PB1, PB2 der optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D als der Sinus eines Öffnungswinkels © in Abhängigkeit von einem Ortsquadrat r² dargestellt. Die bezüglich der optischen Achsen der optisch wirksamen Flächen der zweiseitig lichtemittierenden Diode D bestehende Symmetrie der Sinuswerte der Öffnungswinkel Θ wird mit der Anordnung erster Parabolspiegel PS 1,1; PS 1,2 und zweiter Parabolspiegel PS 2,1; PS 2,2 unter Beibehaltung des Phasenraumvolumens in eine zur optischen Achse des Lichtwellenleiters LWL gerichtete Asymmetrie transformiert, und es werden die transformierten PhasenraumbereicheTPB1,TPB2durch Ergänzen der Öffnungswinkel Θ zusammengesetzt auf dem Lichtwellenleiter LWL orts- und winkelangepaßt abgebildet. Durch orts- und winkelangepaßte optische Transformation und Abbildung wird ein Phasenraum PR des Lichtwellenleiters LWL ausgefüllt und mit geringem Energieaufwand im Lichtwellenleiter LWL eine hohe, geführte Lichtleistung angeregt.The effect that despite the constancy of the radiance and guided in the phase space element light output of a light-emitting source by using both optically active surfaces of a two-sided light emitting diode D with low energy consumption in the optical waveguide LWL a high, guided light power is excited, based on that with the arrangement 2, the radiation angle of the optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode D opposite asymmetrically transformed, assembled and adapted to the optical waveguide fiber. As a result, a phase space PR of the optical waveguide LWL that is generally larger than at least one optically active surface of the light-emitting diode D is excited and a high, guided light power is excited with low energy consumption in the optical waveguide LWL, which has a corresponding beam density of the two-sided light-emitting diode D. In FIG. 2, in each case a phase space region PB1, PB2 of the optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode D is shown as the sine of an opening angle φ as a function of a spatial square r ² . The symmetry of the sine values of the aperture angles Θ with respect to the optical axes of the optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode D is determined by the arrangement of the first parabolic mirrors PS 1,1; PS 1.2 and second parabolic mirror PS 2.1; PS 2.2, while maintaining the phase space volume transformed into a directed to the optical axis of the optical fiber LWL asymmetry, and the transformed PhasenraumbereicheTPB1, TPB2 by supplementing the opening angle Θ composite on the optical fiber LWL location and angle adapted mapped. By spatially and angle matched optical transformation and imaging a phase space PR of the optical waveguide LWL is filled and excited with low energy consumption in the optical waveguide LWL a high, guided light output.

Die Anordnung kann in einem großen Bandbreitebereich verwendet werden und erfordert insbesondere als integrierte optische Baugruppe einen geringen Aufwand.The arrangement can be used in a wide bandwidth range and, in particular, requires little effort as an integrated optical module.

Claims

1. Arrangement for optically coupling a two-sided light-emitting diode to an optical waveguide, for exciting a high, guided in the optical waveguide light output with passive optical elements, characterized in that the two optical effective surfaces of a two-sided light emitting diode (D) each with its vertex on the optical axis of an optically active surface of the two-sided light-emitting diode (D), at a distance of its focal length, a first parabolic mirror (PS 1,1, PS 1,2) is arranged opposite, the optical axes of the first parabolic mirror (PS 1,1, PS 1 , 2) each having an angle bisector between the optical axis of an optically effective area of the two-sided light emitting diode (D) and a straight connecting line between the vertex of one of the first parabolic mirrors (PS 1,1, PS 1,2) and the vertex of one of the second Parabolic mirrors (PS2,1; PS2,2) are aligned, each one of the second par absorption level (PS2,1; PS2,2) one of the first parabolic mirror (PS 1.1, PS 1.2) on the straight line connecting their vertices at a distance of the sum of their focal lengths and at a distance from its focal length to the center of the optically active surface of the optical waveguide (LWL) opposite , the optically effective areas of the second parabolic mirrors (PS2,1; PS2,2) adjoin on the optical axis of the optical waveguide (LWL) and the optical axes of the second parabolic mirrors (PS2,1; PS2,2) each coincide with an angle bisector aligned between a center of the optically active surface of the optical waveguide (LWL) and the vertex of one of the second parabolic mirrors (PS 2.1, PS 2.2) connecting the straight line and the straight line between the apex of one of the first parabolic mirror (PS1 , 1; PS1,2) and the vertex of one of the second parabolic mirrors (PS2,1; PS2,2).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in each case the ratio of the focal length of a second parabolic mirror (PS2,1, PS2,2) to the focal length of a first parabolic mirror (PS 1,1, PS 1,2), which it is arranged opposite is equal to the fourth root of a quotient of a product containing the optically effective area of the optical waveguide (LWL) and the sine values of the radiating angles in mutually perpendicular directions of one of the two optically active areas of the double sided light emitting diode (D) and a product one of the two optically active surfaces of the two-sided light-emitting diode (D) and the square of the sine value of half the acceptance angle of the optical waveguide (LWL) is formed.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the first parabolic mirrors (PS 1,1, PS 1,2) and the second parabolic mirrors (PS2,1; PS2,2) are elliptical parabolic mirrors, the optical axes of the optical waveguide ( LWL), the two optically effective areas of the two-sided light emitting diode (D) and the optical axes of the elliptical parabolic mirrors lie in a plane, the axes of the ellipses first elliptical parabolic mirror placed by ninety degrees about their optical axes to the corresponding axis of the ellipse second elliptical parabolic mirror and a focal length of the elliptical parabolic mirrors is equal to the geometric mean of the small and large focal lengths of the elliptical parabolic mirror, respectively.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the optical axis of the optical waveguide, the first parabolic mirrors (PS 1.1, PS 1.2), the second parabolic mirrors (PS2, PS 2.2) and the two-sided light-emitting diode (D) are arranged symmetrically.