DE2750322A1 - Optische vorrichtung zur einkopplung der aus einem halbleiterlaser austretenden strahlung in eine optische faser - Google Patents
Optische vorrichtung zur einkopplung der aus einem halbleiterlaser austretenden strahlung in eine optische faserInfo
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Description
2 7 b Ü 3 2
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung und richtet sich insbesondere auf eine Laser-Faserkoppelvorrichtung,
welche einen optischen Strahl aus einem Halbleiterlaser in eine zur Übertragung des
optischen Strahls verwendete optische Faser leitet.
optischen Strahls verwendete optische Faser leitet.
Der schnelle Fortschritt in der Entwicklung optischer Fasern und Halbleiterlaser beschleunigt die praktische
Anwendung optischer Nachrichtenübertragung. Es sind jedoch weiterhin noch zu lösende Probleme vorhanden.
Eines dieser Probleme betrifft die Verbindung zwischen einem Halbleiterlaser und einer im Übertragungsweg verwendeten optischen Faser.
Eines dieser Probleme betrifft die Verbindung zwischen einem Halbleiterlaser und einer im Übertragungsweg verwendeten optischen Faser.
Strahlungsreflexion, die in einer optischen Faser infolge von Verbindungen zwischen Faser und Faser oder
Faser und einer anderen Vorrichtung, durch einen Bruch oder eine Biegung der optischen Faser usw. erzeugt wird,
wird von der Eingangsfläche der optischen Faser in den aktiven Bereich des Halbleiterlasers, etwa eines GaAs-Lasers,
eingeführt und macht den Laservorgang instabil. Das heißt, wenn die reflektierte optische Strahlung in
den aktiven Bereich des Halbleiters eingeführt wird,
werden ein Treiberstrom für die optische Ausgangscharakteristik, das Spektrum und die modulierte optische
Ausgangswelle des Lasers durch die reflektierte optische Strahlung beeinflußt. Die Beeinflussung ist der Menge
der reflektierten Strahlung proportional.
der reflektierten Strahlung proportional.
Dies stellt ein ernstes Problem für optische Nachrichtenübertragungssysteme
dar. Trotz der Vielzahl von Arten bekannter optischer Anschlußelemente hat keines
obiges Problem gelöst.
obiges Problem gelöst.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Laser-Faserkoppelvorrichtung
bzw. eine optische Vorrichtung zu schaffen, velche den aus dem Halbleiterlaser austretenden
optischen Ausgangsstrahl wirkungsvoll in die optische Faser einkoppelt und gleichzeitig das Ausmaß
von auf den aktiven Bereich des Halbleiterlasers auftreffender optischer Strahlung vermindert.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die optische Vorrichtung nach der Erfindung durch einen zwischen der
Eingangsfläche einer übertragenden optischen Faser und einem Halbleiterlaser angeordneten Wellenleiter
aufgebaut. Der Wellenleiter hat den gleichen Aufbau wie eine sogenannte optische Stufenfaser. Das heißt,
der Wellenleiter besteht aus einem Kern mit gleichförmigem Brechungsindex und einer Hüllschicht mit einem
Brechungsindex, der kleiner als derjenige des Kerns ist.
Ferner ist wenigstens eine der beiden Größen Kernradius und numerische Apertur des Wellenleiters kleiner
als die entsprechende Größe der anzuschließenden optischen Ubertragungsfaser.
Bei obigem Aufbau wird der größte Teil der aus der optischen Faser reflektierten optischen Strahlung
nicht in den Wellenleiter eingekoppelt.
Dementsprechend ist das Ausmaß der in den aktiven Bereich des Halbleiterlasers eingeführten Reflexionsstrahlung extrem gering und damit der Laservorgang
stabil.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung
beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind
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~ j ™"
Fig. 1 ein schematischer Schnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung,
Fig. 2 ein Schnitt dieser ersten Ausführungsform der optischen Vorrichtung nach der Erfindung,
Fign. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 schematische Querschnitte
anderer Ausführungsformen der optischen Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zur Erläuterung
des Prinzips der Erfindung. Gemäß Fig. 1 tritt ein optischer Strahl 5 aus dem aktiven Bereich 4 eines Halbleiterlasers
1 aus, und der größte Teil davon wird in einen Wellenleiter 2 und eine optische Faser 3 eingekoppelt,
wobei der Wellenleiter 2 und die optische Faser 3 den gleichen Aufbau haben, nämlich aus einem Kern mit gleichförmigem
Brechungsindex n.. und einer Hüllschicht mit einem Brechungsindex n2# der kleiner als derjenige des Kerns
ist, bestehen, also eine optische Stufenfaser darstellen. Die Länge des Wellenleiters ist auf zwei bis etwa zu
mehreren zehn Zentimetern eingestellt, abhängig von der optischen Vorrichtung, nämlich der Laser-Faserkoppelvorrichtung.
Der Abstand zwischen der Ausgangsfläche des Lasers 1 und der Eingangsfläche des Wellenleiters 2 beträgt
in etwa mehrere Mikrometer.
Ferner ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß wenigstens eine der beiden Größen Kernradius D2 und
numerische Apertur (N.A.)2 des Wellenleiters 2 kleiner
als Dy (N.A.Jo der anzuschließenden optischen Faser 3 ist.
Im allgemeinen wird ein Teil der optischen Strahlung in einer optischen Faser an Stellen zwischen zwei optischen
Fasern oder einer optischen Faser und einer anderen opti-
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27S0322
sehen Vorrichtung oder durch eine Biegung oder das Vorhandensein von Brüchen und Verunreinigungen reflektiert.
Deshalb wird ein Teil der reflektierten Strahlung in Rückwärtsrichtung übertragen und trifft auf den
aktiven Bereich des Lasers 1.
Bei einer erfindungsgemäß aufgebauten optischen
Vorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, ist die Menge der auf den aktiven Bereich auftreffenden optischer
Strahlung merklich herabgesetzt, ohne daß die Qualität der optischen Kopplung vom Halbleiterlaser
auf die optische Faser verschlechtert ist.
Unter der Annahme, daß die Kernradien und numerischen Aperturen des Wellenleiters 2 und einer
optischen Faser 3 D2, D^, NA2/ NA^ sind und daß die
reflektierte Strahlung in der optischen Faser gleichmäßig über die Eingangsfläche des Kerns 3-2 verteilt ist, wird
das Verhältnis R zwischen der Menge der aus der Eingangsfläche der optischen Faser 3 austretenden reflektierten
Strahlung und der Menge der in den Wellenleiter 2 eingekoppelten optischen Strahlung durch folgende
Formel dargestellt:
R =
1- >/Γ 1-(NA2)2'
1- V 1-(NA3)2'
Die numerische Apertur N.A., welche ein Maß für die Lichtsammeifähigkeit der optischen Faser darstellt,
ist folgendermaßen definiert:
1
N.A. = (n2 - n2,)7
N.A. = (n2 - n2,)7
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Wie oben beschrieben, ist D2<
D3 und/oder NA2<NA3
und damit der Wert für das Verhältnis R kleiner als 1.
Beispielsweise ist unter der Annahme 02=^3 und
NA2=NA3» R gleich 0,25. Durch Hinzufügung der Bedingung
NA2< NA3 zu obiger Bedingung Ό~ = 2^ nimmt der
Wert für R weiter ab.
Gemäß Fig. 2, welche eine Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung zeigt, ist ein (in Mesa-Streifengeometrie aufgebauter) GaAs-Halbleiterlaser 1 mit einer aktiven
Schicht 4 einer Dicke von ungefähr 0,1 um auf einem Kupferträger 11 befestigt, welcher auf einer Innenfläche
eines Gehäuses 10 mit Hilfe von Indiumlot angebracht ist. Der Laser 1 wird über elektrische Leitungen
12 erregt, welche sich durch das Gehäuse 10 erstrecken. 21 bezeichnet ein Isolationsmaterial. Ein
Wellenleiter 2 ist in einer öffnung des Gehäuses 10 angebracht. Die Oberfläche des Wellenleiters 2 ist an
der Innenfläche der öffnung mit Hilfe eines Bindewerkstoffs,
wie Ni, Au und In, befestigt. Der Wellenleiter ist auf eine anzuschließende optische Faser 3 und die
aktive Schicht 4 des Lasers 1 axial ausgerichtet. Der Abstand zwischen der Ausgangsfläche des Lasers 1 und der
Eingangsfläche des Wellenleiters beträgt ungefähr 5 um.
Das Ende der an den Laser 1 anzuschließenden optischen Faser ist in einer Endzwinge 13 angeordnet, welche mit
einer öffnung 14 versehen ist, die abgefast ist, um das Einsetzen der Faser 3 zu erleichtern. Die Enden
der Faser 3 und der Zwinge sind eben und im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Faser 3. Die Zwinge 13 ist
in eine im Gehäuse 10 vorgesehene öffnung 22 eingesetzt. Eine Muffe 15 ist auf dem Gehäuse 10 festgeschraubt und
bewirkt, daß die Endfläche 16 gegen den Boden der öffnung
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anliegt. Die Zwinge 13, die Muffe 15 und die öffnung 14
bilden eine mechanische Anschlußvorrichtung für die Faser.
Bei obiger Ausführungsform beträgt der Kernradius
D2 des Wellenleiters 2 50 μΐη und der Kernradius D3 der
optischen Faser 3 80 μΐη, und die numerische Apertur NA2
des Wellenleiters 2 ist gleich derjenigen der optischen Faser 3.
Die Feststellung erübrigt sich, daß sich die Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt.
Zur Verbesserung des Koppelwirkungsgrads und zur Verminderung des Einkoppeins der reflektierten Strahlung
sind folgende Anordnungen anwendbar.
In den Fign. 3, 4 und 5 ist wenigstens ein Ende der Wellenleiter 2-4, 2-5 und 2-6 rauh. Diese Ausführungsformen sind zur Eliminierung unerwünschter Intensitätsschwankungen der reflektierten Strahlung infolge einer
Ungleichheit der Lichtverteilung in der optischen Faser 3 nützlich.
In der Ausführungsform der Fig. 6 ist eine dünne
transparente Schicht zwischen dem Wellenleiter 2 und die optische Faser 3 gelegt. Beide Oberflächen des Films 17
sind rauh, um den gleichen Effekt wie den der rauhen Oberflächen der Wellenleiter zu erhalten.
In den Ausführungsformen der Fign. 7 und 8 sind
zur Verbesserung des optischen Koppelwirkungsgrads optische Linsen 18 und 19 zwischen dem Halbleiterlaser 1
und dem Wellenleiter 2 angeordnet.
In der Ausführungsform der Fig. 9 ist ein optisches
Koppelteil durch die Kombination einer optischen Linse und eines Wellenleiters 9, dessen beide Oberflächen rauh
sind, aufgebaut.
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Bei der Ausfuhrungsform der Fig. 10 ist ein
optisches Koppelteil durch die Kombination einer optischen Linse 20, eines Wellenleiters 2 und eine
rauhe Oberflächen aufweisenden dünnen Schicht, wobei alle diese Elemente in der richtigen Weise aufeinander
ausgerichtet sind, aufgebaut.
Diese Ausführungsformen optischer Vorrichtungen haben den Vorteil, daß der optische Koppelwirkungsgrad
verbessert und es gleichzeitig möglich ist, das Arbeiten des Halbleiterlasers zu stabilisieren, indem
er von der Reflexionsstrahlung befreit wird.
Claims (4)
1. Optische Vorrichtung zur Einkopplung der aus einem Halbleiterlaser austretenden Strahlung in eine
auf diesen in Längsrichtung ausgerichtete optische Faser, gekennzeichnet durch einen in
einem Gehäuse (10) angebrachten Halbleiterlaser (1), eine mechanische Faseranschlußvorrichtung, welche einen
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Teil des Gehäuses verwendet, und einen am Gehäuse befestigten, zwischen dem Laser und der Faseranschlußvorrichtung
angeordneten Wellenleiter (2; 2-4; 2-5; 2-6), welcher einen Kern mit gleichförmigern
Brechungsindex und eine Hüllschicht mit gegenüber dem Kern kleinerem Brechungsindex aufweist,
und wobei wenigstens eine der Größen Kernradius und numerische Apertur des Wellenleiters kleiner
als die entsprechende Größe einer mit Hilfe der Faseranschlußvorrichtung an den Wellenleiter optisch
anzukoppelnden optischen Faser (3) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine
der beiden Endflächen des Wellenleiters (2-4; 2-5; 2-6) rauh ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine dünne Glasplatte
zwischen dem Wellenleiter (2) und der Faseranschlußvorrichtung vorgesehen ist und daß beide
Oberflächen der Platte rauh sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
eine optische Linse (18; 19; 20; 21) zwischen Laser (1) und Wellenleiter (2; 2-6) vorgesehen ist.
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