DE19926801C2

DE19926801C2 - Einsteckmodul für gekapselte Laserdioden

Info

Publication number: DE19926801C2
Application number: DE1999126801
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Kaenders; Armin Zach; Guenter Bickleder
Original assignee: TUIOPTICS GmbH
Current assignee: Toptica Photonics AG
Priority date: 1999-06-12
Filing date: 1999-06-12
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2019-06-13
Also published as: DE19926801A1

Abstract

Beschrieben wird ein Einsteckmodul für eine Laserdiode, die eine Licht emittierende Oberfläche und Anschlußkontakte aufweist, mit einer die Laserdiode mechanisch stabil und temperaturstabilisiert integrierenden Halterung. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein, die Laserdiode seitlich zur Licht emittierenden Oberfläche vollständig umschließendes und in unmittelbarem Kontakt stehendes Halterungselement vorgesehen ist, das in Art eines Würfels ausgebildet ist, in dessen Inneres die Laserdiode paßgenau einsetzbar ist und der vier Außenseitenflächen aufweist, an denen jeweils ein Kühlelement flächig anliegt, und daß das Halterungselement samt Kühlelement in die Halterung integrierbar ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Einsteckmodul für eine gekapselte Laserdiode, die eine Licht emittierende Oberfläche und Anschlußkontakte aufweist, mit einer die Laserdiode mechanisch stabil und temperaturstabilisiert integrierenden Halterung.

Stand der Technik

Zum Schutz vor ungewollten mechanischen und chemischen Einflüssen sowie zum Abführen und Verteilen von Verlustwärme ist es notwendig, elektronische Bauelemente, wie Laserdioden mit einem Gehäuse zu umhüllen, wobei die Verkapselungsmethode von der Wahl des Gehäusetyps abhängt. Bei der Verkapselung von Chips am häufigsten verbreitet ist das Umspritzen mit Plastikmasse in einer Form. Eine schwarze Einfärbung dieser Masse schützt das Bauelement gegen Lichteinfall und erhöht die Wärmeabstrahlung. Für höhere Betriebstemperaturen und wenn es auf einen besonderen Schutz gegen Feuchtigkeit ankommt, werden Metall- oder Keramikgehäuse den Kunststoffgehäusen vorgezogen. Häufig verwendete Gehäusetypen stellen sogenannte TO-Gehäuse dar, auf die im folgenden besonderer Bezug genommen wird.

Von besonderem Interesse ist eine mechanisch stabile sowie in der Temperatur kontrollierbare Aufnahme von Laserdioden, die selbst für gewöhnlich in einem 5,6 mm oder 9 mm (SOT-148) Gehäuse gewerblich zu erhalten sind. Derartige Laserdiodenstandardgehäuse sehen jedoch keine Vorkehrungen vor, die Laserdiode auf einem vorgegebenen Temperaturniveau zu halten, die Laserdioden also gezielt zu kühlen oder zu erwärmen. Eine thermisch stabile bzw. thermisch verstimmbare Laserdiode ist jedoch aus Gründen der Frequenzverstimmung und -stabilität für viele Einsatzzwecke von besonderem Interesse. So vermögen Temperaturschwankungen die Emissionswellenlänge einer GaAs-Laserdiode typisch mit etwa 0,3 nm pro 1°C zu verändern.

Aus der WO 96/34434 A1 ist ein Einsteckmodul für eine von einem Gehäuse umgebene Laserdiode, welche durch eine Oberfläche des Gehäuses Licht emittiert, bekannt, wobei das Gehäuse Anschlußkontakte aufweist und von einem Halterungselement mechanisch stabil und temperaturstabilisiert gehalten wird. Das Halterungselement umschließt dabei das Gehäuse der Laserdiode seitlich zur lichtemittierenden Oberfläche vollständig und steht in unmittelbaren Kontakt mit diesem. Ferner ist ein Kühlelement vorgesehen, das mit dem Gehäuse in Kontakt steht. Die Befestigung der Laserdiode innerhalb des bekannten Einsteckmoduls ist jedoch kompliziert, setzt eine große Anzahl unterschiedlicher Befestigungselemente voraus und ist daher kostenintensiv.

Eine ähnliches Einsteckmodul ist der EP 542 379 A1 zu entnehmen, die vergleichbare Nachteile, wie zu vorstehender Druckschrift ausgeführt, aufweist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Einsteckmodul für eine Laserdiode zu schaffen, das durch eine aktive Temperatursteuerung die Laserdiode auf einem fest vorgegebenen oder veränderlichen Temperaturniveau zu Zwecken der Frequenzstabilisierung oder Leistungsstabilisierung halten soll. Das Einsteckmodul soll über einen einfachen Aufbau verfügen, so daß eine Integration der Laserdiode in das Einsteckmodul einfach möglich ist. Die zu treffende Maßnahme soll günstig und kompatibel zu einer Vielzahl bestehender Standardtypen sein.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausgestaltende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Einsteckmodul für eine Laserdiode, die eine Licht emittierende Oberfläche und vorzugsweise der Licht emittierenden Oberfläche gegenüberliegend Anschlußkontakte aufweist, mit einer die Laserdiode mechanisch stabil und temperaturstabilisiert integrierenden Halterung derart ausgebildet, daß ein, die Laserdiode seitlich zur licht emittierenden Oberfläche vollständig umschließendes und in unmittelbarem Kontakt stehendes Halterungselement vorgesehen ist, das in Art eines Würfels ausgebildet ist, in dessen Inneres die Laserdiode paßgenau einsetzbar ist und der vier Außenseitenflächen aufweist, an denen jeweils ein Kühlelement flächig anliegt, und dass das Halterungselement samt Kühlelement in die Halterung integrierbar ist.

Da die Halterung vorzugsweise ein Standard-Gehäuse ist, weist das Einsteckmodul damit die äußere Form eines standard-ähnlichen Gehäuses auf, das über elektrische Anschlußmöglichkeiten verfügt, die vielseitig einsetzbar sind.

Die gekapselte Laserdiode ist vorzugsweise an der, der Licht emittierenden Oberfläche gegenüberliegenden Seite mittels eines Halterungsringes und lösbaren Befestigungsmittels in dem Standardgehäuse bzw. in dem standardähnlichen Gehäuse justierbar befestigt, wobei die Anschlußkontakte mit einem Anschlußsockel verbunden und mittels einer Dichtmasse mit dem Standard-Gehäuse abgedichtet sind.

Um die Temperaturstabilisierung präzise steuern zu können, ist das Halterungselement, das im Inneren eine entsprechende Aussparung vorsieht, in die die Laserdiode einbringbar ist, als Thermistor ausgebildet. Hierzu sieht das Halterungselement wenigstens eine weitere Aussparung vor, in die ein Temperatursensor, wie bspw. ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand einsetzbar ist. Besonders eignen sich hierzu NTC- oder PTC-Widerstände, die mit einer Auswerteelektronik verbunden sind, um das aktuelle Temperaturniveau zu detektieren. So eignet sich z. B. ein 10 kΩ NTC-Widerstand als Thermosensor.

Das Halterungselement ist möglichst großflächig mit thermoelektrischen Kühlelementen kontaktiert, damit ein großer Wärmeübertrag zwischen dem sich durch den Betrieb der Laserdiode aufheizenden Halterungselement und den Kühlelementen stattfinden kann. Je nach detektierter Temperatur kann durch gezieltes Ansteuern der Kühlelemente, die vorzugsweise als Peltier-Elemente ausgebildet sind, die Laserdiode über das Halterungselement temperiert werden. Auch dienen die Peltier-Elemente, aufgrund ihres elektrischen Isolationsvermögens dem Schutz vor direkten Berührungen beim Betrieb der Laserdiode.

Ein besonderer Aspekt des Einsteckmoduls ist seine einfache und vielseitig anwendbare Einsetzbarkeit. TO-Gehäuse sind gängige Gehäuse und finden in nahezu allen elektronischen Applikationen Anwendung. Der modulare Aufbau und die leichte Montierbarkeit der Laserdiode in das TO-Gehäuse machen das Einsteckmodul besonders unter dem Gesichtspunkt der aktiven Kühlung der Laserdiode und einer damit verbundenen Frequenzstabilisierung höchst attraktiv. Neben der Frequenzstabilisierung kann die Laserdiode auch gezielt in ihrer Emissionswellenlänge verstimmt werden, indem die Temperatur der Laserdiode gezielt variiert wird. Eine gezielte Frequenzverstimmung ist in der Spektroskopie von hohem Interesse. Da es sich bei den in Betracht kommenden Laserdioden bevorzugt um Dioden mit 5,6 mm oder 9 mm Querschnitt handelt, eignen sich insbesondere Einsteckmodule mit TO-3-artigen-Gehäusen, da in vielen Labors geeignete Aufnahmen dafür vorhanden sind.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Explosionsdarstellung eines Einsteckmoduls mit einem TO-3-Gehäuse

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Eine 9 mm Laserdiode 1 wird paßgenau in die Innenkontur eines würfelförmig ausgebildeten Halterungselementes 2 eingebracht. Unmittelbar an den vier Außenflächen des Halterungselementes 2 werden vier flächig ausgebildete Peltier- Elemente 3 angebracht, die zusammen mit dem Halterungselement 2 samt Laserdiode 1 in die Öffnung eines TO-3-Gehäuses 4 integrierbar sind.

Zur Befestigung und Justierung der Laserdiode innerhalb des TO3-Gehäuses ist ein Haltering 5 vorgesehen, der an der Seite der Laserdiode angebracht wird, an der die Anschlußkontakte der Diode vorgesehen sind. Der Haltering 5 wird vorzugsweise mit zwei Schrauben 6 als Befestigungsmittel am Halterungselement 2 innerhalb des TO3-Gehäuses fixiert. Auch eigenen sich zur Fixierung Preßpassungen oder Verklebungen.

Die Anschlußkontakte der Laserdiode 1 münden zur Verstärkung in einem Pin- Sockel 7, der mittels eines gegen Feuchtigkeit schützenden Dichtmittels 8 am TO-3- Gehäuse befestigt ist. Für das Dichtmittel eignen sich vorzugsweise eine Kunststoffabdichtplatte oder ein Gießmaterial, bspw. Epoxydharz.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ist es erstmals möglich eine Standard- Laserdiode, die in einem Standard-Gehäuse untergebracht ist, vorzugsweise ein 5,6 oder 9 mm - Gehäuse, in einem Standard-Gehäusemodul oder einem standardähnlichem Gehäusemodul einzusetzen und dieses mit einfachen Mitteln derart auszugestalten, daß die Laserdiode weitgehend temperaturstabil betrieben werden kann, ohne einer Frequenzdrift zu unterliegen. Ebenso kann die Laserdiode gezielt verstimmt werden, indem die Temperatur gezielt verändert wird. Dies ist vor allem in der Spektroskopie mit Laserdioden erforderlich.

Bezugszeichenliste

1

Laserdiode

2

Halterungselement

3

Kühlelement

4

TO-Gehäuse

5

Haltering

6

Befestigungsschrauben

7

Pin-Sockel

8

Dichtungsmasse

Claims

1. Einsteckmodul für eine gekapselte Laserdiode, die eine Licht emittierende Oberfläche und Anschlußkontakte aufweist, mit einer die Laserdiode mechanisch stabil und temperaturstabilisiert integrierenden Halterung, bei der ein, die gekapselte Laserdiode seitlich zur Licht emittierenden Oberfläche vollständig umschließendes und in unmittelbarem Kontakt stehendes Halterungselement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungselement in Art eines Würfels ausgebildet ist, in dessen Inneres die Laserdiode paßgenau einsetzbar ist und der vier Außenseitenflächen aufweist, an denen jeweils ein Kühlelement flächig anliegt, daß das Halterungselement samt Kühlelementen in die Halterung integrierbar ist, und daß die Halterung ein standardartiges Gehäuse oder ein Standardgehäuse ist.

2. Einsteckmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungselement samt Kühlelementen in die Halterung derart integrierbar ist, daß die Laserdiode an der, der Licht emittierenden Oberfläche gegenüberliegenden Seite mittels eines Halterungsringes und lösbaren Befestigungsmittels in der Halterung justierbar befestigt ist.

3. Einsteckmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente Peltier-Elemente sind.

4. Einsteckmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in das Halterungselement ein wärmeabhängiger Widerstand, vorzugsweise ein NTC- oder PTC-Widerstand eingearbeitet ist.

5. Einsteckmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die die Laserdiode durch gezielte Ansteuerung der Kühlelemente auf einer konstant vorgegebenen Temperatur hält.

6. Einsteckmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschaltung vorgesehen ist, die die Laserdiode vor statischer Aufladung schützt.

7. Einsteckmodul nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Standardgehäuse ein TO-Gehäuse, insbesondere ein TO-3-Gehäuse zur Aufnahme einer Laserdiode mit einem Durchmesser von 5,6 oder 9 mm ist.

8. Einsteckmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkontakte mit einem Anschlußsockel verbunden sind, welcher mittels einer die Halterung abdichtenden Dichtmasse mit dieser verbunden ist.