DE3046415A1 - Gekapselte lichtquelle mit angekoppeltem faserleiter - Google Patents
Gekapselte lichtquelle mit angekoppeltem faserleiterInfo
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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
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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.
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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,
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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.
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-
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)
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
Applications Claiming Priority (1)
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ID=22300102
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DE (1) | DE3046415C2 (de) |
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