DE2750322B2 - 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 Faser

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung und richtet sich insbesondere auf eine Laser-Faserkoppelvorrichtung, weiche einen optischen Strahl aus einem Halbleiterlaser in eine zur Übertragung des 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.
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.
Dies stellt ein ernstes Problem für optische Nachrichtenübertragungssysteme dar. Trotz der Vielzahl von Arten bekannter optischer Anschlußelemente hat keines obiges Problem gelöst
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Laser-Faserkoppelvorrichtung bzw. eine optische Vorrichtung zu schaffen, welche 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
ίο 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
ι s 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 Übertragungsfaser.
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 Reflexionsstrahkng extrem gering und damit der Laservorgang stabil.
su Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind
F i g. 1 ein schematischer Schnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen
r> Vorrichtung,
F i g. 2 ein Schnitt dieser ersten Ausführungsform der optischen Vorrichtung nach der Erfindung,
F i g. 3,4,5,6,7,8,9 und 10 schematische Querschnitte anderer Ausführungsformen der optischen Vorrichtung nach der Erfindung.
F i g. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung. Gemäß F i g. 1 tritt ein optischer Strahl 5 aus dem aktiven Bereich 4 eines
4r> 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 /fc, 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,
ho daß wenigstens eine der beiden Größen Kernradius D2 und numerische Apertur (N. A.)2 des Wellenleiters 2 kleiner als Di, (N. A.)3 der anzuschließenden optischen Faser 3 ist. Im allgemeinen wird ein Teil der optischen Strahlung in einer optischen Faser an Stellen zwischen
b5 zwei optischen Fasern oder einer optischen Faser und einer anderen optischen 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 optischer 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 Kemradien und numerischen Aperturen des Wellenleiters 2 und einer optischen Faser 3D2, D3, NA2, NA3 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 - l/l - (NA2Y
D]
1 - l'l -
Die numerische Apertur N. A, welche ein Maß für die Lichtsammeifähigkeit der optischen Faser darstellt, ist folgendermaßen definiert:
ι
N. A. = (H?-ni)* .
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 D2 = ■= D3 und NA2 = NA3, R gleich 0,25. Durch Hinzufügung der Bedingung NA2 < NA3 zu obiger Bedingung D2= = D3
nimmt der Wen für R weiter ab.
Gemäß F i g. 2, welche eine Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zeigt, ist ein (in Mesa-Streifengeometrie aufgebauter) GaAs-Halbleiterlaserl mit einer aktiven Schicht 4 einer Dicke von ungefähr 0,1 μπι 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 holationsmaterial. 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 2 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, weiche 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
iü eingesetzt Eine Muffe 15 ist auf dem Gehäuse 10 festgeschraubt und bewirkt, daß die Endfläche 16 gegen den Boden der öffnung 22 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 μπι und der Kernradius D der optischen Faser 3 80 μπι, und die numerische Apertur NA2 des Wellenleiters 2 ist gleich derjenigen der optischen Faser 3.
χ 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.
2r> In den F i g. 3, 4 und 5 ist wenigstens ein Ende der Wellenleiter 2-4, 2-5 und 2-6 rauh. Diese Ausführungsformen sind zur Eliminierung unerwünschter Intensitütsschwankungen der reflektierten Strahlung infolge einer Ungleichheit der Lichtverteilung in der optischen
to 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
η Oberflächen der Wellenleiter zu erhalten.
In den Ausführungsformen der Fi g. 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 20 und eines Wellenleiters 9, dessen beide Oberflächen rauh sind, aufgebaut.
Bei der Ausführungsform der F i g. 10 ist ein optisches
4r> 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.
w Diese Ausführungsform 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
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 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 gleichförmigem 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 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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