DE19911433A1

DE19911433A1 - Sendeanordnung

Info

Publication number: DE19911433A1
Application number: DE19911433A
Authority: DE
Inventors: Joerg-Reinhardt Kropp; Hans Dietrich Wolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: DE19911433B4; JP2000299534A; JP3554247B2; US6785476B1

Abstract

Ein Sender (1) umfaßt mehrere individuelle Laser (12a...12d), die in einem zweidimensionalen Laserarray (14) enthalten sind und bei Anregung phasengekoppelt Strahlungsanteile (19a...19d) emittieren. Die Strahlungsanteile treten gemeinsam in den lichtleitenden Kern (7) eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters (3) ein.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Datenüber tragung mit hohen Übertragungsraten mittels Mehrmoden-Licht wellenleitern. Für eine derartige Datenübertragung werden op tische Module verwendet, die einen elektrooptischen Sender und/oder Empfänger enthalten. Der Sender bzw. Empfänger um faßt als aktive Komponente einen auch als elektrooptischen Wandler bezeichneten Baustein, der im Bereich einer optisch aktiven Zone bei elektrischer Ansteuerung Lichtsignale gene riert und abstrahlt (Sender) bzw. bei Beaufschlagung der op tisch aktiven Zone mit Lichtsignalen korrespondierende elek trische Signale abgibt (Empfänger). Verbreitet werden in Sen demodulen Lasersender eingesetzt, die den zunehmend hohen An forderungen an leistungsfähige Sender zur Generierung kurzer, qualitativ hochwertiger optischer Signale oder Impulse auch unter wirtschaftlichen Aspekten gerecht werden.

Die Erfindung betrifft eine Sendeanordnung mit einem Sender und mit einem Mehrmoden-Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der von dem Sender abgegebenen Strahlung.

Eine derartige Sendeanordnung geht aus der DE 196 45 295 A1 hervor. Bei dieser bekannten Anordnung zum Einkoppeln von Licht in ein Ende eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters findet ein zwischengeschalteter, zusätzlicher Stiftstummel aus einem Einmoden-Lichtwellenleiter Verwendung, dessen eine Stirnseite an dem Ende des Mehrmoden-Lichtwellenleiters anliegt. Auf die andere freie Stirnseite des Stiftstummels wird das einzukoppelnde (beispielsweise von einer Laserdiode aus gesendete) Licht fokussiert.

Im Hinblick auf zunehmend geforderte sehr hohe Datenübertra gungsraten besteht bei der Verwendung eines Mehrmoden-Licht wellenleiters (beispielsweise zur Übertragung der ausgesende ten Lichtsignale zu einem am anderen Ende des Lichtwellenlei ters angeordneten Empfänger) die Notwendigkeit, den lichtfüh renden Kern des Mehrmoden-Lichtwellenleiters optimal auszu leuchten. Andererseits muß auch das Signalverhalten des La sersenders derart sein, daß über einen weiten Arbeitsbereich eine vorschriftsmäßige Signalform erhalten bleibt. So muß z. B. bei Verwendung von Rechteckimpulsen zur Datenkodierung das abgegebene Lichtsignal eine möglichst ideale Rechteckform ha ben, um eine bitfehlerfreie bzw. zumindest bitfehlerarme Da tenübertragung sicherzustellen.

Bei der eingangs beschriebenen bekannten Anordnung bewirkt der Stiftstummel aus dem Einmoden-Lichtwellenleiter, daß die Zahl der angeregten Moden im nachgeordneten Mehrmoden-Licht wellenleiter verringert wird. Um zur Erzielung einer hohen Bandbreite auch Anregungseffekte durch im Mantel des Stiftstummels vagabundierendes Licht auszuschließen, weist der Stiftstummel einen Lichtabführbereich auf, in dem sein Mantel von einer äußeren Beschichtung aus einem Werkstoff mit einem höheren Brechungsindex als der Brechungsindex des Man telwerkstoffs umgeben ist.

Die bekannte Anordnung ist durch die Zwischenschaltung des Stiftstummels aufbautechnisch relativ aufwendig und erlaubt keine gezielte Anregung von Moden an der Stirnfläche des lichtleitenden Kerns des Mehrmoden-Lichtwellenleiters bzw. bestimmten bevorzugten Bereichen des Kernquerschnittes. Da jedoch herstellungsbedingt der lichtleitende Kern im Zentrum schlechtere Lichtleitfähigkeiten aufweisen und nur geringere Lichtmengen transportieren kann als im Bereich größerer Ra dien, ist eine gezielte Anregung des Kerns in peripheren Be reichen wünschenswert.

Die Erfindung sieht daher bei einer Anordnung der eingangs genannten Art vor, daß der Sender mehrere individuelle Laser umfaßt, die in einem zweidimensionalen Laserarray enthalten sind und die bei Anregung phasengekoppelt Strahlungsanteile emittieren, und daß die Strahlungsanteile gemeinsam in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter eintreten.

Dazu geeignete, mehrere individuelle Laser umfassende Laser sender sind an sich im Zusammenhang mit der Untersuchung grundlegender physikalischer Eigenschaften von Lasern bei spielsweise aus dem AUFSATZ "COHERENT BEAMS FROM HIGH EFFICIENCY TWO- DIMENSIONAL SURFACE-EMITTING SEMICONDUCTOR LASER ARRAYS" von P. L. Gourley et al., Appl. Phys. Lett. 58 (9), 4. März 1991, S. 890-892 bekannt. In diesem Aufsatz werden zweidimensionale Anordnun gen nicht aktiv betriebener, sondern durch sogenanntes "Pho topumpen" zur Strahlungsabgabe angeregter Laser im Hinblick auf die entstehenden Nahfelder und Fernfelder beschrieben. Weitere Hinweise zum aktiven Betrieb eines solchen Laser arrays - insbesondere zur Datenübertragung mit hohen Übertra gungsraten - sind dem Aufsatz nicht entnehmbar.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht dagegen in dem gleichzeitigen aktiven Betrieb mehrerer paral lel z. B. mit demselben elektrischen Steuersignal angesteuer ter Einzellaser, die in engem Abstand von beispielsweise 1 bis 2 µm zueinander angeordnet sind. Die Ausbildung der Ein zellaser in einer gemeinsamen Anordnung ("Array") kann bei spielsweise durch Strukturierung des oberen und/oder unteren Laserspiegels bei einem vertikal emittierenden Laser (VCSEL) realisiert werden. In der Praxis hat sich dabei gezeigt, daß schon ein geringer Unterschied in den Reflektionsgraden - beispielsweise 99,5% im Bereich der individuellen Laser (Einzellaser) zu 98% in den übrigen, dazwischenliegenden Be reichen - ausreichend ist, um individuelle Laser zu defi nieren. Eine alternative oder additive Möglichkeit der Struk turierung besteht darin, Elektroden zur Ansteuerung der indi viduellen Laser als Masken auszubilden oder den aktiven Be reich entsprechend zu strukturieren. Ein weiterer wesentli cher Aspekt der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die individuellen Laser aufgrund identischer Geometrien und Herstellungsprozesse auch ein gleiches dynamisches Ver halten aufweisen.

Durch die enge Benachbarung der individuellen Laser entsteht eine Kopplung der Laser untereinander derart, daß ein überge ordneter zweidimensionaler phasengekoppelter Schwingungszu stand erzeugt wird. In diesem Schwingungszustand ist die Ab strahlung einer longitudinal und transversal einmodigen Mode möglich. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß diese Einmodigkeit zu einem Modulationsverhalten führt, das eine günstige Impulsform für die digitale Datenübertragung bereitstellt und damit eine deutliche Verbesserung der Über tragungsraten bzw. der Übertragungskapazität darstellt.

Mit einer derartigen Anordnung individueller Laser kann ein Fernfeld erzeugt werden, mit dem die Bandbreite eines Mehrmo den-Lichtwellenleiters besonders gut ausgenutzt werden kann.

Eine besonders gute Ausnutzung der Übertragungseigenschaften eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters läßt sich vorteilhafter weise erreichen, indem die Strahlungsanteile symmetrisch zu der optischen Achse des Mehrmoden-Lichtwellenleiters eintre ten.

Die geometrische Anordnung der individuellen Laser, insbeson dere in einer 2*2-Matrix, ermöglicht eine Strahlformung durch ein zwischen Sender und dem einen Ende des Mehrmoden-Licht wellenleiters angeordnetes strahlformendes Element.

Die Strahlformung erfolgt dabei bevorzugt derart, daß die abgegebene Strahlung überwiegend außerhalb des Kernzentrums eintritt, und zwar besonders bevorzugt im Bereich von 10% bis 50% des Kernradius. In diesem Bereich wird üblicherweise aufgrund der Herstellungs- und Selektionsprozesse von Mehr moden-Lichtwellenleitern eine besonders hohe Übertragungsrate erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Sendeanordnung,

Fig. 2 die Abstrahlungsverhältnisse bei einem Laserarray in einer 2*2-Matrix und

Fig. 3 eine durch ein optisches Element vergrößerte Abbildung der Matrix gemäß Fig. 2 auf den lichtleitenden Kern eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Sendeanordnung einen Lasersender 1, der bei an sich bekannter elektrischer Ansteuerung eine Strahlung 2 abgibt. Die Strahlung 2 durchdringt auf ihrem Weg zu einem Mehrmoden-Lichtwellenleiter 3 ein strahlformendes Element in Form einer Linse 5. Dadurch wird die Strahlung 2 aufgeweitet und trifft auf die Stirnfläche 6 des lichtleiten den Kerns 7 des Mehrmoden-Lichtwellenleiters 3. Wie nachfol gend noch weiter erläutert, besteht die Strahlung 2 tatsäch lich aus mehreren Strahlungsanteilen individueller Laser, die in einem phasengekoppelten Schwingungszustand sind. Der Lichtwellenleiter 3 hat eine zentrale optische Achse 8. Die strahlungsabgebende Stirnseite 9 des Senders 1 ist in Fig. 2 in erheblicher Vergrößerung dargestellt.

Fig. 2 zeigt in einer 2*2-Matrix angeordnete individuelle Laser 12a bis 12d, deren Durchmesser jeweils ca. 3 bis 5 µm beträgt. Die in einem gemeinsamen Laserarray 14 angeordneten individuellen Laser 12a bis 12d geben bei elektrischer An steuerung entsprechende Lichtsignale (Laserimpulse) ab. Zwi schen den Lasern (beispielsweise 12a und 12b) befinden sich inaktive Bereiche 15, 16, durch die die individuellen Laser voneinander funktional getrennt sind. Diese Trennung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die zur Konstituierung der individuellen Laser aufgebrachten Spiegelschichten im Be reich der Laser höher verspiegelt sind (mit beispielsweise 99,5%) und die dazwischenliegenden Bereiche 15, 16 geringfü gig geringer verspiegelt sind (beispielsweise mit 98%). Die Strukturierung und Separierung der individuellen Laser kann aber auch dadurch erfolgen, daß entsprechende Elektroden zur Ansteuerung auch als Masken dienen und die Zwischenbereiche 15, 16 bedecken.

Die idividuellen Laser können auf einem gemeinsamen Substrat oder Ausgangsmaterial 18 erzeugt sein. Die Herstellung geeig neter Laserarrays ist beispielsweise in dem eingangs genann ten Artikel in Appl. Phys. Lett. 58 (9), 1991, Seiten 890 bis 892 beschrieben. Wenn die individuellen Laser 12a bis 12d parallel mit einem gleichen Steuersignal betrieben werden, entsteht aufgrund der engen Nachbarschaft der Laser zueinan der eine Kopplung der Laser untereinander und damit eine Kopplung der laserindividuellen Strahlungsanteile 19a bis 19d, die in Fig. 2 nur schematisch angedeutet sind. Durch diese Kopplung wird ein übergeordneter zweidimensionaler und phasengekoppelter Schwingungszustand erzeugt, der die Ab strahlung einer longitudinal und transversal einmodigen Mode ermöglicht. Diese Einmodigkeit führt zu einem Modulationsver halten, das eine günstige Impulsform für die digitale Daten übertragung bereitstellt.

Wie Fig. 3 verdeutlicht, wird durch das strahlformende Ele ment 5 (Fig. 1) eine Abbildung des in Fig. 2 dargestellten Laserarrays auf die Stirnfläche 6 des Kerns 7 des Mehrmoden- Lichtwellenleiters 3 bewirkt. Der in Fig. 3 dargestellte Um fang 20 deutet die Begrenzung des lichtleitenden Kernes 7 an, der bei üblichen Mehrmoden-Lichtwellenleitern einen Durchmes ser von ca. 62,5 µm aufweist. Durch die vorbeschriebene An ordnung werden die einzelnen Strahlungsanteile 19a bis 19d (Fig. 2) symmetrisch zum Kernzentrum Z bzw. zur zentralen Längsachse 8 (optische Achse) als Strahlungsflecken 19A bis 19D abgebildet in einem Bereich von ca. 10 bis 50% des vom Kernzentrum Z ausgehenden Kernradius R. Mit dieser Einkopp lung kann die Bandbreite des Mehrmoden-Lichtwellenleiters besonders gut ausgenutzt werden.

Durch die bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehene Verwendung von phasengekoppelten, einmodigen individuellen Lasern für die Übertragung von Daten in Mehrmoden-Lichtwel lenleitern werden die Vorteile der Einmodigkeit in bezug auf das Modulationsverhalten einerseits mit der gezielten Anre gung von höheren Moden in der Peripherie des Kernes eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters andererseits mit einfachsten Mitteln kombiniert.

Claims

1. Sendeanordnung mit

- einem Sender (1) und
- mit einem Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) zur Weiterlei tung von dem Sender abgegebener Strahlung (2),

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Sender (1) mehrere individuelle Laser (12a. . .12d) umfaßt,
- die in einem zweidimensionalen Laserarray (14) enthalten sind und
- die bei Anregung phasengekoppelt Strahlungsanteile (19a. . .19d) emittieren,
- und daß die Strahlungsanteile (19a. . .19d) gemeinsam in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) eintreten.

2. Sendeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Strahlungsanteile (19a. . .19d) symmetrisch zu der opti schen Achse (8) des Mehrmoden-Lichtwellenleiters (3) ein treten.

3. Sendeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Strahlungsanteile (19a. . .19d) vor dem Eintritt in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) ein strahlformendes Ele ment (5) durchdringen.

4. Sendeanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- das strahlformende Element (5) eine Vergrößerung der opti schen Abbildung der individuellen Laser (12a. . .12b) auf den Kern (8) des Mehrmoden-Lichtwellenleiters (3) derart bewirkt, daß die abgegebene Strahlung (2) überwiegend außerhalb des Kernzentrums (Z) eintritt.

5. Sendeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die abgegebene Strahlung (2) überwiegend in einem Bereich von 10% bis 50% des Kernradius (R) eintritt.