DE3046415A1 - Gekapselte lichtquelle mit angekoppeltem faserleiter - Google Patents

Gekapselte lichtquelle mit angekoppeltem faserleiter

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Description

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Pötcntconsuil [,'«dc-ckt-olraße 43 Si"C-fl MjndiCi.i 63 Toloicn (Is?) Ε8Ζ60ϊ/;-5ίί·α', Tflex 05-212315 Tclrgicircrm; P.iioi..;.· cnsuli Pütenlconsuli Sonncnboryor Strafte ■)?. 6?WW;esbadcn Tt-I-: lci (U6121) 5629-<ά/:ΓκΜ998 Telex 0-MC6?37 Telegrsrr.iiio PrAinlconsul!
V/estern Electric Coropany Incorporated DUFPT-3 New York, N.Yc 10038, USA
Gekapselte Lichtquelle mit angekoppeltem Faserleiter
Die Erfindung betrifft optische Nachrichtenverbindungen und im einzelnen eine gekapselte Lichtquelle, in der ein Faserleiter an ein Licht emittierendes Halbleiter-Bauelement, beispielsv/eise einen Junction-Laser, angekoppelt ist.
Bei gekapselten Lasern mit einem angekoppelten Faserleiter ist es wichtig, den Faserleiter ausgerichtet zum Laserplättchen zu sichern, so daß nur minimale Änderungen der Kopplung beim Gebrauch auftreten können und ein optimales Lichtausgangssignal für das Übertragungssystem sichergestellt ist.
Ein bis]">or· benutztes praktisches Verfahren zur Ankopplung einer optischen Faser an den Ausgang eines Lasers besteht darin, den Endabschnitt des Faserleiters in einer genau gefrästen Rille festzulegen, die 2um Laser ausgerichtet ist.
MüncJien: [.'. Kramrr Üip!.-Iny. . W. Weser Dipl.-Piiys. Dr. tot. rio!. · ff. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Uipl.-ln.-3. · P. Bergen Prof. Dr. jur.Oipl.-ing., Pat.-Ars., Pst -Apw. bis 1979 · G. Zwirnor Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
130035/0580 p,n „
EAD ORiGlNAL
Eine Anorünung dieser Art wird in der US-PS 3 774 987 beschrieben. Ein anderes Verfahren, das in der US-PS 4 065 203 offenbart ist, besteht in der Verwendung einer zweiteiligen Federkupplung und Festlegung des inneren Faserleiter-Abscbnittes in der richtigen Lage mit Bezug auf das Latierplättchen unter Verwendung eines Epoxy-Klebers.
Die vorstehend erläuterten, bekannten Anordnungen haben gewisse Nachteile hinsichtlich einfacher und wirtschaftlicher Herstellung, Gleichmäßigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit. Das Verfahren, bei dem der Faserleiter in einer Rille festgelegt wird, ist zwar für Laborzwecke brauchbar, führt aber nicht zu einer leicht herstellbaren Anordnung, die im praktischen Einsatz in einer optischen Übertragungsanlage stabil bleibt. Die zweiteilige Koppelanordnung hat ebenfalls nicht die erforderliche Sicherheit bezüglich einer genauen Ausrichtung und bietet außerdem keine Langzeit-Stabilität und -Zuverlässigkeit, da die zur Befestigung des Faserleiters verwendeten organischen Materialien sehr zum Kriechen neigen, d.h. zu einer Änderung der Abmessungen mit der Zeit, und zwar selbst bei Raumtemperatur. Außerdem führt der hohe Dampfdruck solcher organischen Kleber bei Benutzung in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse zur Bildung unerwünschter Niederschläge auf kritischen Oberflächen des Lasers.
130035/0580
Entsprechend einem Ausfiihrungöbeispiel eier Erfindung ist das Iialbleiterplättchcii eines Junction-Lasers zentral in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse angeordnet. Ein Faserleiter führt hermetisch abgedichtet in das Gehäuse, wobei ein Ende dicht bei der Lichtaustrittsfläche des Laserplüttchens angeordnet ist. Derjenige Teil des Faserleiters, der sich nahe beim Laserplättchen befindet, wird mit Bezug auf das Laserplättchen in seiner Lage durch Einbetten in einen Körper aus Lötzinn oder einem anderen geeigneten Metall mit niedrigem Schmelzpunkt festgelegt. Das Lötzinn zeigt nur kleines oder kein Kriechen im normalen Betriebstemperaturbereich auf,und sein Dampfdruck ist so niedrig, daß keine schädlichen Dämpfe im Gehäuse entstehen.
Die eingekapselte Lichtquelle nach der Erfindung läßt sich leicht zusammenbauen, indem der Faserleiter-abschnitt im noch offenen Gehäuse bei eingeschaltetem Laser manipuliert v/ird, so daß das Lichtausgangssignal am anderen Ende des Faserleiters beobachtet werden kann. Dabei wird der Faserleiterabschnitt im Gehäuse innerhalb einer überdimensionierten Öffnung im Lötzinnkörper bewegt. Wenn die optimale Position bestimmt worden ist, wird das Lötzinn geschmolzen, so daß es um den Faserleiter fließt. Beim Abkühlen erstarrt es und legt den Faserleiter in seiner Lage fest. Das Gehäuse v/ird dann vollständig abgedichtet und evakuiert oder wieder mit einem geeigneten Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt,
BAD ORiGlNAL 1 30035/0580
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer gekapselte!], teil\;eise zusammengebauten Lichtquelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles der Anordnung nach Fig. 1 mit Einzelheiten des Laserplättchens und des festgelegten F&serle-iters.
In Fig. 1 ist eine teilweise zusammengebaute, eingekapselte Lichtquelle mit einem Befestigungsbolzen 14 dargestellt, der einen Abschnitt 12 mit einer Sechskantmutter und einen Gewindeabschnitt 13 zur Befestigung des Bauteils besitzt. Der Befestigungsbolzen 14 wird von einem Gehäuse 11 eingeschlossen und besitzt einen Fuß 15» auf dem ein Halbleiter-Junction-Laser 16 befestigt ist. In bekannter Weise emittiert der Laser 16 Licht im wesentlichen in gleicher Weise aus sich gegenüberliegenden Vorder- und Rückflächen. Ein Faserleiter 24 ist zur einen Ausgangsfläche des Plättchens 16 ausgerichtet,und gegenüber der anderen Ausgangsfläche des Lasers 16 ist eine Überwachungs-Fotodiode 19 angeordnet. Die Fotodiode 19 ist auf einem üblichen Metallkopf 17 mit Leitungen 18 befestigt. Verbindungsleitungen 20 innerhalb des Gehäuses stellen die erforderlichen Verbindungen für den Betrieb des Lasers sowie der Fotodiode 19 als Detektor zur Überwachung des vom Laser 16 ausgehenden Lichtes dar. Auf der Oberseite des Fußes 15 ist ein weiterer Befestigungsblock 28 vorgesehen, um bequem Verbindungen mit dem Laser-
- 1**'?.Ϊ5/Ο58Ο SO ORIGINAL
plättchen 16 herstellen zu können.
Der Faserleiter 24 ist in einer Hülse 25 befestigt, in der er hermetisch mit Hilfe einer Lötmasse 26 abgedichtet ist. Die Hülse 25 ist in der Wand des Gehäuses 11 verschweißt. Auf dem Bolzen 14 ist ein Fuß 21 befestigt, der auf der Oberseite einen Lötzinnkörper 22 trägt. Durch den Körper 22 führt eine Öffnung 23, in die der Faserleiter 24 unter Ausrichtung zum Laser 16 eingeführt ist. Die Öffnung 23 ist genügend groß, um eine Bewegung des dünneren Faserleiters zu ermöglichen.
In Fig. 2, in der die Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind, ist der Faserleiter im festgelegten Zustand dargestellt. Er ist im Lötzinnkörper 22 unter Ausrichtung zum Laser 16 eingebettet. Die gegenseitige feste Lage der Teile in der Anordnung ist klar zu erkennen. Die Einkapselung gemäß Fig. 1 wird durch Evakuieren, Rückfüllen mit Stickstoff und dichtes Aufsetzen einer Kappe auf das Gehäuse 11 vervollständigt.
Der Zusammenbau der eingekapselten Lichtquelle entsprechend der Erfindung beinhaltet das Anbringen des Kopfes 17 für die Fotodiode 19 in einer Wand des Gehäuses 11 und der Hülse in der anderen Wand. Die Lötzinnabdichtung 26 und der Lötzinnkörper 22 haben beide überdimensionierte und durchlaufende Öffnungen, so daß der Faserleiter 24 durch die Hülse 25 und den Lötzinnkörper 22 eingeführt werden kann. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel hat der Faserleiter
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BAD
einen Durchmesser von 0,1016 mm und die Öffnung 23 durch den Lötzinnkörper 22 einen Durchmesser von 0,4064 mm. Die Lötzinnabdichtung 26 in der Hülse 25 besitzt eine Bohrung mit einem Durchmesser von 0,508 mm. Wenn der Faserleiter mit seinem Ende dicht beim Laser 16 eingeführt ist, wird die Lötzinnabdichtung 26 bis zum ausreichenden Schmelzen erhitzt, so daß beim Erstarren der Faserleiter hermetisch abgedichtet und mit Bezug auf das Gehäuse in der horizontalen oder Z~Richtung festgelegt ist.
Um das Anhaften von Lötzinn an die jeweiligen Abschnitte des Faserleiters zu erleichtern, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, diese Abschnitte mit einem Metallfilm zu beschichten. Insbesondere hat sich ein dünner Film aus nacheinander aufgebrachtem Titan, Platin und Gold als brauchbar erwiesen. Für Faserleiter bestimmter Durchmesser ist es außerdem zweckmäßig, das Ende des Faserleiters 24 abzurunden, in typischer Weise durch Erhitzen, um einen Linseneffekt zu erzielen und dadurch die Lichtkoppeleigenschaften des Leiters zu verbessern.
Der kritische Teil des Zusammenbaus hinsichtlich der Ausrichtung des Faserleiters mit Bezug auf den Lichtausgang des Lasers 16 wird durch Manipulieren des Faserleiterabschnittes im Gehäuse mit geeigneten Mitteln durchgeführt, beispielsweise einem strichpunktiert dargestellten Werkzeug 27, das zweckmäßig mit Hilfe eines Mikromanipulators gesteuert wird, der eine Bewegung sowohl in der X- als auch
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der Y-Richtung ermöglicht. T7e.hrend dieser Manipulation wird der Laser eingeschaltet und ein Fotodetektor am Ende des
Paserleiters außerhalb des Gehäuses und hinter der Dichtung 26 angebracht. Wenn der Faserleiter in. einer Lage ist, bei der sich ein optimales Lichtausgangssignal zeigt, wird der Lötzinnkörper 22 soweit erhitzt, daß das Lötzinn fließt und in Kontakt mit den Faserleiter 24 kommt. Bei aufhörender Erhitzung erstarrt dann der Körper 22 und hält den jetzt eingebetteten Faserleiter in seiner Lage mit Bezug auf den
Laser fest. Der Lötzinnkörper kann mit Hilfe eines geeigneten Werkzeuges oder zweckmäßig mit Hilfe eines Gaslasers erhitzt werden. Die Verwendung eines Lasers zur Erhitzung
des Lötzinnkörpers hat den Vorteil, daß die allgemeine Erwärmung der umgebenden Anordnung verringert und damit der
Zwang vermieden wird, während und nach dem Zusammenbau eine Ausdehnung und Zusammenziehung in Betracht zu ziehen.
Sowohl die Lötzinnabdichtung 26 als auch der Lötzinnkörper 22 verwenden bei einem speziellen Ausführungsbeispiel eine Zinn-Blei-Legierung mit 60 % Zinn und 40 % Blei. Diese Legierung hat eine Schmelztemperatur von 1850C und ist deswegen vorteilhaft, da sie im wesentlichen kein Langzeitkriechen
bei normalen Betriebstemperaturen zeigt. Die anderen Materialien des Gehäuses sind nicht kritisch, sondern bestehen aus den üblichen Metallen hoher Qualität. Im einzelnen besteht der Bolzen 14 aus sauerstoff-freiem, hochleitenden
Kupfer. Das Gehäuse 11 und die Hülse 25 bestehen aus schweißbarem Stahl,und der Fuß 21 ist aus rostfreiem Stahl herge-
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stellt.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einer Lichtquelle beschrieben worden, die einen Halbleiter-Junction-Laaer aufweist, es sei aber darauf hingewiesen, daß «ich die Erfindung auch auf andere Anordnungen unter Verwendung anderer Halbleiterbauteile anwenden läßt, die fokussierte Lichtquellen darstellen, wobei ein hoher Kopplungsgrad mit Bezug auf einen optischen Faserleiter wünschenswert ist.
Der hier verwendete Ausdruck "Licht" soll elektromagnetische Strahlung sowohl im sichtbaren Bereich als auch in un sichtbaren Bereichen bedeuten.
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Claims (7)

zwirner - :»;off;.-:jvH 304641b PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UNDWiFzGBA Pfilc-.iiconsült RacJcdxr.traßo. 43 BOüO K!L;n;.i.c-n ίO Tr-ir-icm (0i9; Fa 16Or,/SBItM Telex 05-21?51?. Tcioynmmc PaK rittonr.uil Palciit :oiis,ull Sonnenbc-rgcr Straße 43 6i'Jj V.W.br.drii Ttsefo" (DS121) E5294?/5ä19'.S Telex 0-1-"i8f.?i7 Toleyromrnp PaiuiitCdnstl! Western Electric. Coinpany Incorporated DUPFT-3 New York, N.Y. 10030, USA Patent an spr üclie
1. Verfahren zur festen Ankopplung eines optischen Faserleiters an ein Licht emittierendes !Bauelement (16), gekennzeichnet durch: Befestigen eines :;it einer durchlaufenden Öffnung (23) versehenen Körpers (22) aus niedrigschmelzendem Metall dicht bei dem Licht emittierenden Bauelement (22)} Einführen eines Feuerleiters (2A) in die Öffnung; Einschalten des Licht emittierenden Bauteils zur Erzeugung eines Lichtausgangssignals;
Bewegen des Faserleiters in der Öffnung unter Beobachtung des Lichtausgangssignals vom Faserleiter; Schmelzen des Körpers (22), derart, daß er fließt und in Kontakt mit dem Faserleiter kommt;
Erstarren des Körpers unter Festlegen des Faserleiters in einer gewünschten Position mit Bezug auf die Lichtquelle.
München: R. Kranif.r Dipl.-Ing. . VV. Weser Dipl.-Phys. Dr. :er. nat. · Π. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.O. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Pergon Piof.Dr. jur.Dipl.-Infi., Pal.-Ass., Pol.-Anw.bis 1979 · G. Ziviinor Dipl.-Ing. Dip!.-W.-Ir;g.
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2. Verfahren neu;:-* Aucpr-avL 1,
dadurch grikot.ir^icliucL. υ^Π ο 'α ϊ i-.iy^v rv.r Erhitzu;:.·?; dos Körpers (22) aus :r!if;drir-;^^;-i^---lz.:i-:l.;.r.: Metall vorwendet v.'ird.
3. Verfahren nach /;*iopruoh 1,
dadurch gtsl-zeniMEcichn^t,. daß der Körper ύ:2) aus Lötzinn mit 60 % Zinn und 40 J' Blei bes'Ceht..
4. Verfahren nach /jispruch. 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Halbleiter-Junction-Laser (16) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (16) und der im Körper (22) befestigte Teil des Faserleiters (24) hermetisch abgedichtet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schmelzen des Metallkörpers (22) ein Abschnitt des Faserleiters (24) fest in einem die Lichtquelle (16) enthaltenden Gehäuse (11) montiert wird, derart, daß ein freies Ende des Faserleiters durch die Öffnung (23) des Metallkörpers (22) führt, und daß ein Mikromanipulator (27) den Faserleiter (24) zwischen der Öffnung (23) und der Befestigung (26) am Gehäuse erfaßt, um den Faserleiter zu manipulieren.
7. Erzeugnis, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
130036/0580 BADORiGiHAL
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