DE19911433B4

DE19911433B4 - Optische Sendeanordnung

Info

Publication number: DE19911433B4
Application number: DE19911433A
Authority: DE
Inventors: Jörg-Reinhardt Dr.rer.nat. Kropp; Hans Dietrich Dipl.-Ing. Dr.-techn. Wolf
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: US6785476B1; DE19911433A1; JP2000299534A; JP3554247B2

Abstract

Optische Sendeanordnung mit
– einem Sender (1) und
– mit einem Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) zur Weiterleitung von von dem Sender (1) abgegebener Strahlung (2), wobei
– der Sender (1) mehrere individuelle Laser (12a...12d) umfaßt, die in einem zweidimensionalen Laserarray (14) enthalten sind und die individuell aktiv zu einer phasengekoppelten Abgabe von Strahlungsanteilen (19a...19d) elektrisch ansteuerbar sind,
– die Strahlungsanteile (19a...19d) gemeinsam in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) eintreten und
– die Strahlungsanteile (19a...19d) vor dem Eintritt in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) ein strahlformendes Element (5) durchdringen, das eine Vergrößerung der optischen Abbildung der individuellen Laser (12a...12b) auf den Kern (7) des Mehrmoden-Lichtwellenleiters (3) derart bewirkt, dass die abgegebene Strahlung (2) überwiegend außerhalb eines Bereichs von 10 % des Kernradius (R) ausgehend vom Kernzentrum (Z) eintritt.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Datenübertragung mit hohen Übertragungsrater. mittels Mehrmoden-Lichtwellenleitern. Für eine derartige Datenübertragung werden optische Module verwendet, die einen elektrooptischen Sender und/oder Empfänger enthalten. Der Sender bzw. Empfänger umfaßt als aktive Komponente einen auch als elektrooptischen Wandler bezeichneten Baustein, der im Bereich einer optisch aktiven Zone bei elektrischer Ansteuerung Lichtsignale generiert und abstrahlt (Sender) bzw. bei Beaufschlagung der optisch aktiven Zone mit Lichtsignalen korrespondierende elektrische Signale abgibt (Empfänger). Verbreitet werden in Sendemodulen Lasersender eingesetzt, die den zunehmend hohen Anforderungen an leistungsfähige Sender zur Generierung kurzer, qualitiativ hochwertiger optischer Signale oder Impulse auch unter wirtschaftlichen Aspekten gerecht werden.
Die Erfindung betrifft eine optische 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 ausgesendete) Licht fokussiert.

Aus der Druckschrift WO 97/33390 A1 ist eine Sendeanordnung mit einem Sender und einem Mehrmoden-Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der vom Sender abgehenden Strahlung bekannt. Die Strahlung des Senders durchdringt vor dem Eintritt in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter ein strahlformendes Element, das die abgehende Strahlung in den Kern des Mehrmoden-Lichtwellenleiters außerhalb seiner optischen Achse lenkt, um die operative Bandbreite zu erhöhen.

Im Hinblick auf zunehmend geforderte sehr rohe Datenübertragungsraten besteht bei der Verwendung eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters (beispielsweise zur Übertragung der ausgesendeten Lichtsignale zu einem am anderen Ende des Lichtwellenleiters angeordneten Empfänger) die Notwendigkeit, den lichtführenden Kern des Mehrmoden-Lichtwellenleiters optimal auszuleuchten. Andererseits muß auch das Signalverhalten des Lasersenders 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 haben, um eine bitfehlerfreie bzw. zumindest bitfehlerarme Datenübertragung sicherzustellen.

Bei der eingangs beschriebenen bekannten Anordnung bewirkt der Stiftstummel aus dem Einmoden-Lichtwellenleiter, daß die Zahl der angeregten Moden im nachgeordneten Mehrmoden-Lichtwellenleiter 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 Mantelwerkstoffs umgeben ist.

Die bekannte Anordnung ist durch die Zwischenschaltung des Stiftstummels aufbautechnisch relativ aufwendig und erlaubt keine gezielte Anregung von Boden 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 es Aufgabe der Erfindung, eine optische Sendeanordnung bereitzustellen, bei der eine gezielte Anregung des Kerns in peripheren Bereichen erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Dazu geeignete, mehrere individuelle Laser umfassende Lasersender sind an sich im Zusammenhang mit der Untersuchung grundlegender physikalischer Eigenschaften von Lasern beispielsweise 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 Anordnungen nicht aktiv betriebener, sondern durch sogenanntes „Photopumpen" zur Strahlungsabgabe angeregter Laser im Hinblick auf die entstehenden Nahfelder und Fernfelder beschrieben. Weitere Hinweise zum aktiven Betrieb eines solchen Laserarrays – insbesondere zur Datenübertragung mit hohen Übertragungsraten – sind dem Aufsatz nicht entnehmbar.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht dagegen in dem gleichzeitigen aktiven Betrieb mehrerer parallel z. B. mit demselben elektrischen Steuersignal angesteuerter Einzellaser, die in engem Abstand von beispielsweise 1 bis 2 μm zueinander angeordnet sind. Die Ausbildung der Einzellaser in einer gemeinsamen Anordnung („Array") kann beispielsweise 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 Bereichen – ausreichend ist, um individuelle Laser zu definieren. Eine alternative oder additive Möglichkeit der Strukturierung besteht darin, Elektroden zur Ansteuerung der individuellen Laser als Masken auszubilden oder den aktiven Bereich entsprechend zu strukturieren. Ein weiterer wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die individuellen Laser aufgrund identischer Geometrien und Herstellungsprozesse auch ein gleiches dynamisches Verhalten aufweisen.

Durch die enge Benachbarung der individuellen Laser entsteht eine Kopplung der Laser untereinander derart, daß ein übergeordneter zweidimensionaler phasengekoppelter Schwingungszustand erzeugt wird. In diesem Schwingungszustand ist die Abstrahlung 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 Übertragungsraten bzw. der Übertragungskapazität darstellt.

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

Eine besonders gute Ausnutzung der Übertragungseigenschaften eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters läßt sich vorteilhafterweise erreichen, indem die Strahlungsanteile symmetrisch zu der optischen Achse des Mehrmoden-Lichtwellenleiters eintreten.

Die geometrische Anordnung der individuellen Laser, insbesondere in einer 2·2-Matrix, ermöglicht eine Strahlformung durch ein zwischen Sender und dem einen Ende des Mehrmoden-Lichtwellenleiters angeordnetes strahlformendes Element.

Die Strahlformung erfolgt dabei 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 auf Grund der Herstellungs- und Selektionsprozesse von Mehrmoden-Lichtwellenleitern eine besonders hohe Übertragungsrate erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Sendeanordnung,
2 die Abstrahlungsverhältnisse bei einem Laserarray in einer 2·2-Matrix und
3 eine durch ein optisches Element vergrößerte Abbildung der Matrix gemäß 2 auf den lichtleitenden Kern eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters.
Gemäß 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 lichtleitenden Kerns 7 des Mehrmoden-Lichtwellenleiters 3. Wie nachfolgend 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 B. Die strahlungsabgebende Stirnseite 9 des Senders 1 ist in 2 in erheblicher Vergrößerung dargestellt.
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 Ansteuerung entsprechende Lichtsignale (Laserimpulse) ab. Zwischen 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 Bereich der Laser höher verspiegelt sind (mit beispielsweise 99,5 %) und die dazwischenliegenden Bereiche 15, 16 geringfügig 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 individuellen Laser können auf einem gemeinsamen Substrat oder Ausgangsmaterial 18 erzeugt sein. Die Herstellung geeigneter Laserarrays ist beispielsweise in dem eingangs genannten 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 zueinander eine Kopplung der Laser untereinander und damit eine Kopplung der laserindividuellen Strahlungsanteile 19a bis 19d, die in 2 nur schematisch angedeutet sind. Durch diese Kopplung wird ein übergeordneter zweidimensionaler und phasengekoppelter Schwingungszustand erzeugt, der die Abstrahlung einer longitudinal und transversal einmodigen Mode ermöglicht. Diese Einmodigkeit führt zu einem Modulationsverhalten, das eine günstige Impulsform für die digitale Datenübertragung bereitstellt.
Wie 3 verdeutlicht, wird durch das strahlformende Element 5 (1) eine Abbildung des in 2 dargestellten Laserarrays auf die Stirnfläche 6 des Kerns 7 des Mehrmoden-Lichtwellenleiters 3 bewirkt. Der in 3 dargestellte Umfang 20 deutet die Begrenzung des lichtleitenden Kernes 7 an, der bei üblichen Mehrmoden-Lichtwellenleitern einen Durchmesser von ca. 62,5 μm aufweist. Durch die vorbeschriebene Anordnung werden die einzelnen Strahlungsanteile 19a bis 19d (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 Einkopplung 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-Lichtwellenleitern werden die Vorteile der Einmodigkeit in Bezug auf das Modulationsverhalten einerseits mit der gezielten Anregung von höheren Moden in der Peripherie des Kernes eines Mehrmoden-Lichtwellenleiters andererseits mit einfachsten Mitteln kombiniert.

Claims

Optische Sendeanordnung mit – einem Sender (1) und – mit einem Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) zur Weiterleitung von von dem Sender (1) abgegebener Strahlung (2), wobei – der Sender (1) mehrere individuelle Laser (12a...12d) umfaßt, die in einem zweidimensionalen Laserarray (14) enthalten sind und die individuell aktiv zu einer phasengekoppelten Abgabe von Strahlungsanteilen (19a...19d) elektrisch ansteuerbar sind, – die Strahlungsanteile (19a...19d) gemeinsam in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) eintreten und – die Strahlungsanteile (19a...19d) vor dem Eintritt in den Mehrmoden-Lichtwellenleiter (3) ein strahlformendes Element (5) durchdringen, das eine Vergrößerung der optischen Abbildung der individuellen Laser (12a...12b) auf den Kern (7) des Mehrmoden-Lichtwellenleiters (3) derart bewirkt, dass die abgegebene Strahlung (2) überwiegend außerhalb eines Bereichs von 10 % des Kernradius (R) ausgehend vom Kernzentrum (Z) eintritt.
Optische Sendeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Strahlungsanteile (19a...19d) symmetrisch zu der optischen Achse (8) des Mehrmoden-Lichtwellenleiters (3) eintreten.
Optische Sendeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die abgegebene Strahlung (2) überwiegend in einem Bereich von 10% bis 50% des Kernradius (R) eintritt.