DE2436908B2

DE2436908B2 - Vorrichtung zur Bündelung von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE2436908B2
Application number: DE2436908A
Authority: DE
Inventors: Kohroh Kobayashi; Atsufumi Ueki
Original assignee: NIPPON SELFOC CO Ltd TOKIO
Current assignee: NIPPON SELFOC CO Ltd TOKIO
Priority date: 1973-08-02
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1979-02-08
Also published as: GB1463744A; FR2239780B1; US3894789A; DE2436908C3; DE2436908A1; FR2239780A1; CA1015187A; JPS5041559A

Description

Hierbei ist /*> der Brechwert in der Achse und a der Parameter für die Lichtbündelung, der den Wert für die Änderung der Brechwertverteilung bestimmt

3 4

Ein solcher Lichtübertragungskörper der Länge / Bündelung eines flachen Laserstrahles eines auf einem

dient als Linse, deren Brennweite fx durch die folgende wärmeabführenden Teil 4 ruhenden Halbleiterlaser 1 in

Gleichung ausgedrückt werden kann: einen Lichtstrahl mit einem kreisrunden Querschnitt mit

größerem Durchmesser dient, und weiter aus einem

fx = l/(/io 1/5 sin Va ■ I) (2) ⁵ ^zweiten lichtbündelnden Übertragungskörper 3 besteht,

" ' " der zur Bündelung des Lichtstrahles mit dem kreisrunden größeren Querschnitt in einen solchen von wenigen

Eine derartige Linse besitzt eine lichtbündelnde um dient Die beiden lichtbündelnden Übertragungskör-Funktion in der x-Richtung. Die Gleichungen (1) und (2) per 2 und 3 sind auf einem Trägerteil 5 in Reihe sind von H. Kogelnik in der Zeitschrift »Bell System io miteinander verbunden, so daß die Achse des Ausgangs-Technical Journal« Seiten 455 bis 493, VoL 44, Nr. 1, Strahles des Halbleiterlasers 1 mit den optischen Achsen März 1965 abgeleitet worden. der lichtbündelnden Übertragungskörper 2 und 3

Theoretisch kann die gewünschte Lichtfleckgröße zusammenfällt Das Trägerteil 5 schließt an das

durch die Verwendung eines lichtbündelnden Übertra- wärmeabführende Teil 4 an.

gungskörpers erreicht werden, in welchem die Ände- 15 Der erste Lichtübertragungskörper 2 wurde wie folgt

rung in der Brechwertverteilung in zwei Richtungen hergestellt: Ein Glasstab von 0,3 χ 2,1 mm Querschnitt

unterschiedlich ist, die senkrecht zueinander in einer mit der Wirkung einer linse wurde in einem

Ebene normal zur Achse des Lichtübertragungskörpers Ionenaustauschverfahren hergestellt Hierzu wird auf

verlaufen. Bei einem solchen Körper müßte die die US-PS 36 57 586 verwiesen- Nach diesem bekannten Bedingung a_x= 10 000 mm-² und ay=35mm-² erfüllt 20 Verfahren kann ein lichtübertragender Korper mit einer

sein. Dabei bezeichnen a_x und a_y Lichtbündelungspara- gewünschten Linsenfunktion durch die Wahl der

meter, die die Änderungen in den Brechwertverteilun- Gestalt des Querschnittes des Glasstabes, der Zeit und

gen in den Richtungen parallel zur Stärke bzw. Breite der Temperatur für den Ionenaustausch gewählt

des Lichtstrahlenquerschnittes angeben, der auf eine werden. Der in F i g. 1 gezeigte Glasstab wurde zur

optische Faser auffällt Ein Lichtleitkörper, der solche 25 Bildung des Lichtübertragungskörpers 2 in einer Länge

Bedingungen erfüllt, ist bisher nicht bekannt geworden. von 2,5 mm geschnitten und derart angeordnet, daß sich Die ein älteres Recht beinhaltende, nicht vorveröf- seine Höhe bzw. Stärke senkrecht zur p-n-Übergangs-

fentlichte DE-PS 23 65 130 betrifft eine Halbleiterlaser- ebene des Halbleiterlasers erstreckt Damit ist bei dem

vorrichtung mit einem optischen Resonator, zwischen Lichtübertragungskörper 2 der Wert a_x entsprechend

dessen Reflektoren ein Halbleiterlaserkörper mit einer 30 dem Wert »a« in Gleichung (1) als Maß für die

auf der optischen Achse liegenden langgestreckten Lichtbündelungswirkung in Richtung senkrecht zur

laseraktiven Zone von länglichem Querschnitt uiid ein p-n-Übergangsebene im wesentlichen gleich 4,6 mm-²,

Lichtstrahlen bündelnder Lichtleitkörper angeordnet und zwar unter der Bedingung, daß der Brechwert/J₀ des

sind. Dabei folgt der Brechungsindex in dem Lichtstrah- Glasstabes 1,55 und die Differenz des Brechwertes Δη

len bündelnden Lichtleitkörper der Beziehung 35 zwischen Oberfläche und dem Zentrum der Linse 0,08

n=ni\— ax²—a A beträgt Entsprechend ist der Wert a, als der Wert »a« in

^ ' Richtung parallel zu der p-n-Übergangsebene im

wobei /Jo der Brechungsindex auf einer Achse des wesentlichen gleich 0,1 mm-². Die Brennweiten in den

Lichtleitkörpers, a\ und a? jeweils Konstanten und χ bzw. beiden Richtungen sind 0,796 mm bzw. 2,87 mm. Die

y die Abstände von den Achsen in zwei aufeinander 40 lichtbündelnde Wirkung des Glasstabes war daher in

senkrechten Ebenen sind, die sich in der Achse des Richtung senkrecht zur p-n-Übergangsebene größer als

Lichtleitkörpers schneiden, und daß wenigstens an das in Richtung parallel dazu und ein Ausgangslaserstrahl

eine Ende des Halbleiterlaserkörpers der Lichtleitkör- mit einem flachen Querschnitt, der in Richtung

per unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines senkrecht zur p-n-Übergangsebene divigiert, konnte in

Glaskörpers derart angebracht ist, daß die Achse des 45 einen Lichtstrahl mit einem kreisrunden Querschnitt mit Lichtleitkörpers mit der optischen Achse des Resona- einem Radius von etwa 100 μΐη überführt werden. Der

tors zusammenfällt Hierdurch kann eine betreffende zweite Lichtübertragungskörper 3, der aus einem

Halbleiterlaservorrichtung mit einer hohen Ausgangsin- Glasstab mit einer Länge von 3,6 mm und einem

tensität bei hoher Kohärenz unter Verwendung eines Durchmesser von 0,8 mm bestand, wurde einem

Resonators angegeben werden, der ohne aufwendige 50 Ionenaustauschverfahren unterworfen. Hierzu wird auf

axiale Ausrichtungen an den Halbleiterlaserkörper die GB-PS 12 66 521 verweisen. Der Lichtübertragungs-

anschiießbar ist, wodurch eine leicht miniaturisierbare körper besaß eine Brechwertverteilung symmetrisch

Baueinheit ermöglicht wird. zur Achse, und zwar waren die Werte für /10= 1,55,

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine 4/7=0,025, a=0,19mm-² und /=1,48 mm. Mit dem Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die 55 zweiten Lichtübertragungskörper konnte ein Lichteinen Lichtstrahl mit einem flachen Querschnitt in einen strahl mit einem Radius von 100 μπι in einen Lichtstrahl Lichtstrahl mit einem kreisrunden Querschnitt von 6 von etwa 4 μιη überführt werden, einigen μιη bündelt, um einen weitgehend verlustlosen In F i g. 2 ist in perspektivischer Darstellung ein Anschluß von Laserlichtstrahlen mit einem flachen zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch Querschnitt an eine optische Faser zu ermöglichen. 60 dargestellt Die Vorrichtung besteht hierbei aus einem

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kenn- ersten Lichtübertragungskörper 2, der einen Laserstrahl

zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst mit einem flachen Querschnitt in einen solchen mit

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben einem elliptischen Querschnitt bündelt, und einem

sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. zweiten Lichtübertragungskörper 3 der den Laserstrahl

Fig. 1 zeigt in schematischer, perspektivischer 65 mit dem elliptischen Querschnitt in einen solchen mit Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfin- einem kreisrunden, kleineren Querschnitt von wenigen

dung, wobei die Vorrichtung aus einem ersten μη) Durchmesser bündelt Diese Lichtübertragungskör-

lichtbündelnden Übertragi-ngskörper 2 besteht, der zur per 2 und 3 sind in Reihe auf einem Trägerteil 5

miteinander verbunden, das an das wärmeabführende Teil 4 angrenzt, auf dem der Laser 1 angeordnet ist.

Die Abmessungen des ersten Lichtübertragungskörpers betrugen 0,5 mm in Richtung senkrecht zur p-n-Übertragungsebene, 1,53 mm in Richtung parallel zur p-n-Übergangsebene und 1,2 mm in Übertragungsrichtung. In diesem Lichtübertragungskörper war der Betrag für a=17mm~² in Richtung senkrecht zur p-n-Obergangsebene und 0,17 ram-² in Richtung parallel dazu, wobei nc =1,55 und Δη=0,08 war. Die Brennweiten in den beiden Richtungen betrugen 0,495 mm bzw. 3,3 mm.

Der von dem Halbleiterlaser 1 abgestrahlte Ausga.gsstrahl mit einem flachen Querschnitt, wurde somit in einen Strahl mit einem elliptischen Querschnitt übergeführt, dessen Hauptachse 340 μη-, senkrecht zur p-n-Übergangsebene des Halbleiterlasers 1 und dessen Nebenachse 280 μηι parallel zur p-n-Übergangsebene aufwies. Anders gesagt divergierte der Lichtstrahl am Austrittsende des ersten Lichtübertragungskörpers 2 mit einem Winkel, der in Richtung der Nebenachse etwas größer war als in Richtung der Hauptachse. In dem zweiten Lichtübertragungskörper wird entgegengesetzt zum ersten Lichtübertragungskörper der Wert der Änderung der Brechwertverteilung über seinem Querschnitt in Richtung parallel zur p-n-Übergangsebene größer gewählt als in Richtung senkrecht dazu. Der zweite Lichtübertragungskörper 3 wies 1,4 mm senkrecht zur p-n-Übergangsebene, 0,83 mm parallel dazu und 6 mm in Übertragungsrichtung auf. In dieser Vorrichtung war der Wert für a = 0,07 mm-² senkrecht zu der p-n-Übergangsebene und 0,17 mm-² parallel dazu, wobei n_o=l,55, 4/7=0,025 betrug und die Brennweiten in den beiden Richtungen ergaben 2,44 mm bzw. 2,52 mm. Mit einem derartigen Lichtübertragungskörper wurde ein Lichtstrahl in einen kreisrunden Querschnitt von etwa 4 μΐπ Durchmesser gebündelt.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich der erste und zweite Lichtübertragungskörper leicht auf einem Trägerteil 5 anbringen. Dabei wurde eine mechanisch stabile Anordnung dadurch erhalten, daß beide Lichtübertragungskörper einen rechteckigen Querschnitt aufwiesen.

Es besteht die Möglichkeit, daß anstelle eines oder beider Lichtübertragungskörper 2 und 3, mit Linsenfunktionen lichtbündelnde Übertragungskörper benutzt werden, die eine Linsenfunktion nur in der Ebene des Querschnittes senkrecht zur Lichtübertragungsachse aufweisen, d.h., daß sogenannte ein-dimensionale Linsen verwendet werden. In dem ersten Lichtübertragungskörper fällt die Richtung, in der die Linsenfunktion vorhanden ist, mit der Richtung senkrecht zur p-n-Übergangsebene des Halbleiterlasers zusammen und in dem zweiten Lichtübertragungskörper ist die Linsenfunktion parallel dazu wirksam, wobei der Ausgangslaserstrahl in einen Lichtstrahl mit einem kreisrunden Querschnitt überführt wird, der der gewünschten Lichtfleckgröße angepaßt ist.

Es kann vorteilhaft sein, ein transparentes Medium, das keine Linsenfunktion aufweist, zwischen dem Halbleiterlaser 1 und dem ersten Lichtübertragungskörper 2 sowie zwischen dem ersten und zweiten Lichtübertragungskörper 2 und 3 anzuordnen.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Bündelung von Laserstrahlen, weist eine relativ geringe Größe und ein relativ kleines Gewicht auf, weil sie nicht auf herkömmliche optische Linsen angewiesen ist. Da außerdem zwei lichtbündelnde Übertragungskörper anstelle von einem Lichtübertragungskörper wie bei den entsprechenden bekannten Vorrichtungen verwendet werden, kann eine besonders starke Lichtbündelung erzielt werden. Außerdem ist die Vorrichtung mechanisch besonders stabil und kann mit Vorteil zusammen mit einem Halbleiterlaser zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein, ohne daß dadurch die Vorteile der kleinen Größe und des leichten Gewichtes eines Halbleiterlasers eingebüßt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bündelung von Laserstrahlen mit flachen Strahlenquerschnitten am Ausgang eines Halbleiterlasers in Laserstrahlen mit einem im wesentlichen kreisrunden Strahlenquerschnitt in Anpassung an den Eingang einer optischen Faser, gekennzeichnet durch einen ersten Lichtübertragungskörper (2) in der Nähe des Ausganges des Halbleiterlasers (1) und einem zweiten nachgeordneten Lichtübertragungskörper (3), dessen optische Achse koaxial zur optischen Achse des ersten Lichtübertragungskörpers liegt, wobei in der Ebene senkrecht zu den optischen Achsen des ersten und zweiten Lichtübertragungskörpers die Brechwertverteilung im wesentlichen proportional im Quadrat zu dem Abstand von der optischen Achse in wenigstens einer von zwei Richtungen (x, y) abnimmt und die Gradienten a_x und a_r für die Brechwertverteilung in dem ersten Lichtübertragungskörper (2) die Bedingung a_x>a_y (wobei a_y=0 sein kann) erfüllen, während die Gradienten a* und a,

in dem zweiten Lichtübertragungskörper (3) der Bedingung a_x<a_y (wobei a_x=0 sein kann) genügen, und der Gradient a» in Richtung senkrecht zur p-n-Übergangsebene und der Gradient a_y in Richtung parallel zur p-n-Übergangsebene des Halbleiterlasers (1) verläuft

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß der erste Lichtübertragungskörper (2) den Laseraustrittsstrahl mit einem flachen Strahlquerschnitt in einen Strahl mit einem kreisrunden oder elliptischen Querschnitt bündelt und der zweite Lichtübertragungskörper (3) den Strahl mit dem elliptischen oder kreisrunden Strahlquerschnitt in einen Strahl mit einem kreisrunden Querschnitt bündelt.

3. Vorrichtung nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiterlaser (1) und dem ersten Lichtübertragungskörper (2) und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtübertragungskörper (2, 3) ein transparentes Lichtleitmedium ohne lichtbündelnde Eigenschaften eingeschaltet ist

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtübertragungskörper (2, 3) aus optischen Fasern mit rechteckigen Querschnitten bestehen.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden w Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtübertragungskörper (2, 3) mit dem Halbleiterlaser (1) eine Baueinheit bilden, wobei das Trägerteil (5) für die beiden Lichtübertragungskörper an das Trägerteil (4) für den Halbleiterlaser anschließt.

direkte Modulation eines Lichtstrahles ohne elektrooptische Kristalle erlauben, zunehmend rasch an Bedeutung. Um einen Ausgangslaserstrahl wirksam an eine optische Faser anschließen und den Strahl durch die Faser mit minimalen Verlusten hindurchleiten zu können, muß der Laserstrahl eine Lichtfleckgröße von der Eigenschwingungsart entsprechend der Fortpflanzungsschwingungsart des Strahles in der optischen Faser besitzen. In Gaslasern zum Beispiel kann der Ausgzngsstrahl leicht an eine optische Faser gekuppelt werden, indem die Lichtfleckgröße durch ein Objektiv eingestellt wird, da der Laserstrahlquerschnitt im wesentlichen kreisförmig ist Bei Halbleiterlasern ist es jedoch schwierig, den Ausgangslaserstrahl verlustarm an eine optische Faser anzuschließen, weil die aktive Zone des Halbleiterlasers in ihrer Stärke und Breite begrenzt ist So beträgt die Stärke vielfach 0,5 bis 1 um und die Breite weist 10 bis 20 um auf, so daß der Querschnitt des Laserstrahles am Ausgangsende des Lasers eine flache Gestalt parallel zur p-n-Ubergangszone aufweist Der Laserstrahl divergiert daher beträchtlich am Ausgangsende des Halbleiterlasers. Zum Beispiel weist der Divergenzwinkel in der Ebene normal zar p-n-Übergangsebene, d. h. der Winkel, bei dem die Ausgangslichtintensität die Hälfte ihres maximalen Wertes annimmt, die Größe von ± 15 bis 25° auf. Aus diesem Grunde war es bisher schwieng, den Laserstrahl verlustlos an die optische Faser anzuschließen, unabhängig von dem Problem, wie dicht die optische Faser an den Halbleiterlaser angeschlossen werden konnte. Bei einer solchen Kupplung war es daher bisher unvermeidbar, daß Anteile des Laserstrahles von der optischen Faser nicht erfaßt wurden, wodurch erhebliche Strahlungsverluste entstanden. Da außerdem viele Übertragungsschwingungsarten beim Lichteinfall auf die optische Faser vorhanden sind, wird die Wellenform des Lichtstrahles bei einer Übertragung über längere Entfernungen gestört, wodurch eine höhere Übertragungskapazität vereitelt wurde.

Im Zusammenhang mit dem vorstehenden Problem werden bereits nach der US-PS 33 96 344 zylindrische oder halbzylindrische Linsen verwendet Ein solches Vorgehen ist aus folgendem Grund nicht befriedigend. Angenommen, es wird ein Ausgangslaserstrahl mit einem flachen Querschnitt von 0,8 μΐη Stärke und 6 μΐη Breite an eine optische Faser mit einer Lichtfleckgröße bei einer Eigenschwingungsart von 4 um unter Verwendung einer halbzylindrischen Linse angekuppelt, dann muß die Brennweite der halbzylindrischen Linse 6 μΐη in Richtung der Stärke des Strahlenquerschnitts und 109 μπι in Richtung der Breite des Strahlenquerschnitts betragen. In der Praxis ist es aber kaum durchführbar, eine halbzylindrische Linse mit einer derart kurzen Brennweite herzustellen.

In der GB-PS 12 66 521 wird ein lichtbündelnder Übertragungskörper verwendet, dessen Brechwertverteilung in einer Ebene normal zur optischen Achse des Lichtübertragungskörpers durch die folgende Gleichung bestimmt ist:

60

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1; vgl. The Bell System Technical Journal, Bd. 51 (1972), Nr. 3, S. 573-594.

In jüngster Zeit gewinnen Laser-Nachrichtensysteme mit optischen Fasern auf Grund der beachtlichen Erfolge bei der Entwicklung von verlustarmen optischen Fasern und langlebigen Halbleiterlasern, die eine

-1 »4

(D