DE3300902A1

DE3300902A1 - Halbleiterlaser mit kollimierungslinse und verfahren zur herstellung des gehaeuseoberteils

Info

Publication number: DE3300902A1
Application number: DE19833300902
Authority: DE
Inventors: Rainer 7030 Böblingen Eggert; Wolfgang 7000 Stuttgart Schmid
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1983-01-13
Filing date: 1983-01-13
Publication date: 1984-07-19
Also published as: DE3300902C2

Description

HALBLEITERLASER MIT KOLLIMIERUNGSLINSE UND VERFAHREN
ZUR HERSTELLUNG DES GEHAUSEOBERTEILS Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf ein Verfahren zur Herstellung des eine Kollimierungslinse enthaltenden Gehäuseoberteils eines Halbleiterlasers.
Die von einem Dauerstrich-Halbleiterlaser ausgesendete Strahlung ist divergent mit Uffnungswinkeln von typischerweise 500 senkrecht und 20° parallel zur aktiven Zone des lichtemittierenden Halbleiterelementes. Diese Art der Abstrahlung ist für viele Anwendungsbereiche unbrauchbar. Für die Übertragung in Luft wird beispielsweise ein paralleles Strahlenbündel und zur Einkopplung in Glasfasern eine konvergente Strahlführung angestrebt.
Aus der DE-OS 31 28 190 ist eine Laser-Halbleitervorrichtung bekannt, bei der zur Kollimierung der Laserstrahlung eine asphärische Einzellinse verwendet wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine komplizierte asphärische Linse erforderlich, da dort die Linse nur mit einem verhältnismäßig großen Abstand vom strahlenden Halbleiterelement angeordnet werden kann. Damit genügend Licht durch die Linse hindurchtritt, muß diese entsprechend groß ausgebildet sein. Die Verwendung einer wesentlich einfacher herstellbaren sphärischen Einzellinse ist dort nicht möglich, da dies erhebliche Abbildungsfehler zur Folge hätte. Diese bekannte Vorrichtung ist in ihrem Aufbau aufwendig und der austretende Lichtstrahl hat einen verhältnismäßig großen Durchmesser.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit Kollimierungslinse zu schaffen, der eine kompakte Bauform hat und in der Herstellung möglichst einfach ist.
Die Lösunq dieser Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen erreicht. Die verwendete kurzbrennweitige, sphärische Mikrolinse ist in geringem Abstand von dem lichtemittierenden Halbleiterelement angeordnet. Die Brennweite liegt im Millimeterbereich und kann kleiner als zwei Millimeter sein. Die Linse ist in eine in der Gehäusekappe befindliche Offnung eingesetzt und mit der Gehäusekappe verklebt. Zum Justieren kann die Gehäusekappe gegenüber einem Positionierring vertikal verschoben werden. Nach der Justierung werden Gehäusekappe und Positionierring vorzugsweise mittels eines Laserschweißgerätes miteinander verschweißt.
Die Gehäusekappe ist auf den Positionierring aufgeschoben, so daß die zylindrische Außenwand des Positionierringes an der zylindrischen Innenwand der Gehäusekappe anliegt. Um eine hohe Paßgenauigkeit für beide Teile zu erhalten, können Gehäusekappe und Positionierring als Drehteile gefertigt sein. Um eine exakte Zentrierung der Linse zu erhalten, sollte auch die die Linse aufnehmende Uffnung durch Drehen in die Gehäusekappe eingebracht werden.
Die Montage des Gehäuseoberteils und die Justierung der Linse erfolgen gemäß den in Patentanspruch 8 angegebenen Verfahrensschritten. Die richtige Positionierung der Linse kann dabei in an sich bekannter Weise mittels einer Fernsehkamera auf einem Sichtschirm überwacht werden.
Für die Montage der Mikrolinse ist es vorteilhaft, wenn diese an der dem lichtemittierenden Halbleiterelement zugewandten Seite eine plangeschliffene Fläche hat, die von einer zylindrischen Mantelfläche begrenzt wird. Auf der der plangeschliffenen Fläche gegenüberliegenden Seite befindet sich die Kugelfläche der Linse.
Um eine gasdichte Verbindung zwischen Gehäusekappe und Linse herzustellen, wird zwischen der Mantelfläche und dem Rand der Uffnung ein flüssiger Kleber eingebracht. Die Linse liegt dabei mit ihrer plangeschliffenen Fläche lose auf einer ebenen Montagefläche.
Bedingt durch die Oberflächenspannung des Klebers, der durch Kapillarwirkung in den engen Spalt zwischen Linse und Gehäusekappe vollständig eindringt, wird die Linse selbsttätig in der Uffnung zentriert. Der Kleber wird dann innerhalb kurzer Zeit auf geeignete Weise (z.B. durch UV-Bestrahlung) spannungsfrei ausgehärtet, und bei höheren Temperaturen ausgegast.
Damit der Kleber die plangeschliffene Fläche der Linse nicht verunreinigt, hat die Montagefläche einen ringförmigen Einstich, dessen mittlerer Durchmesser dem Durchmesser der ebenen Fläche der Linse entspricht. Die Linse wird bei der Montage nun so auf die Montagefläche aufgesetzt, daß sich in Verlängerung der Mantelfläche der ringförmige Einstich befindet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: -Figur 1 einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit einer Positioniereinrichtung, Figur 2 die Draufsicht des in Figur 1 dargestellten Halbleiterlasers teilweise geschnitten, Figur 3 einen Ausschnitt aus der Gehäusekappe, in die die Linse mittels eines Montageblocks eingesetzt ist, und Figur 4 die Position der Linse in der in der Gehäusekappe befindlichen Uffnung.
Bei der in Figur 1 dargestellten Seitenansicht des Halbleiterlasers ist das Gehäuseoberteil, welches aus einem Positionierrin 1 und einer Gehäusekappe 2 besteht, im Schnitt qezeichnet. Der Positionierring 1 liegt auf dem Gehäuseboden 3 auf, an dessen Unterseite sich die Anschlußdrähte 4 befinden.
Im Innenraum zwischen Gehäuseboden 3 und dem aus Positionierring 1 und Gehäusekappe 2 bestehenden Gehäuseoberteil befindet sich ein lichtemittierendes Halbleiterelement 5, welches über einen Kühlkörper 6 mit dem Gehäuseboden 3 verbunden ist. Die Hauptstrahlungsrichtung des Halbleiterelementes ist gegenüber dem Gehäuseboden 3 senkrecht nach oben gerichtet.
Die vom Halbleiterelement ausgesendete Strahlung ist divergent mit Uffnungswinkeln von beispielsweise 50". Damit nun ein Großteil dieser Strahlung von einer möglichst kleinen Linse kollimiert werden kann, wird eine kurzbrennweitige Linse 7 dicht über dem Halbleiterelement 5 angeordnet. Bei der Linse 7 handelt es sich um eine plankonkave, sphärische Mikrolinse, die aus einem hochbrechenden Glas mit einem Brechungsindex von ca. 1,8 besteht. Die Brennweite der Linse kann beispielsweise 1,2 mm und ihr Durchmesser 1,5 mm betragen.
Für die genaue Justierung der Linse 7, die in die Gehäusekappe 2 eingeklebt ist, wird eine Fernsehkamera 8 und ein Sichtschirm 9 verwendet. Die Fernsehkamera 8 kann über ein hier nicht näher dargestelltes Meßmikroskop die Laserstrahlung aufnehmen. Der zunächst lose auf dem Gehäuseboden 3 liegende Positionierring 1 wird dann so lange verschoben, bis sich der Laserleuchtfleck genau in der Mitte der Linse 7 befindet. In dieser Position wird der Positionierring 1 mit dem Gehäuseboden 3 mittels eines Hochleistungs-Laserschweißgerätes verschweißt.
Die Gehäusekappe 2 und der Positionierring 1 sind paßgenau mit sehr geringem seitlichen Spiel gefertigt. Die über den Positionierring 1 gestülpte Gehäusekappe läßt sich vertikal in der angegebenen Pfeilrichtung 10 verschieben. Die Richtungspfeile 11 deuten die horizontale Verschiebbarkeit des Gehäuseoberteils an, bevor der Positionierring 1 mit dem Gehäuseboden 3 verschweißt wird.
Nun muß noch der Abstand der Linse 7 gegenüber dem Halbleiterelement 5 eingestellt werden. Als Kriterium dazu dient die optische Abbildung der Laserstrahlung durch die Linse 7, die auf dem Sichtschirm 9 sichtbar gemacht wird. Zu diesem Zweck wird die Gehäusekappe 2 vertikal verschoben, bis beispielsweise eine gewünschte Größe der Abbildung auf dem Sichtschirm 9 sichtbar ist. In dieser Position wird die Gehäusekappe 2 mit Hilfe des Laserschweißgerätes am Positionierring 1 fixiert und anschließend voll verschweißt.
Auf diese Weise erhält man einen vollständig gekapselten, auf ein bestimmtes optisches Kriterium - z.B. Parallelität des Strahls -abgeglichenes Bauelement zur Verfügung, das sich durch eine sehr kleine Bauform auszeichnet.
Für den Justiervorgang werden an sich bekannte Mikromanipulatoren verwendet, mit denen der Positionierring 1 und die GehäusekapPe 2 sehr genau in die gewünschte Position gebracht werden können. Bei dem verwendeten Laserschweißgerät handelt es sich um eine bekannte Einrichtung, die aus diesem Grunde ebenfalls nicht näher dargestellt wird.
Die in Figur 2 dargestellte Draufsicht zeigt den Halbleiterlaser mit Kollimierungslinse teilweise im Schnitt. Die Schnittebene AB ist in Figur 1 angegeben. Der auf dem Gehäuseboden 3 aufliegende Positionierring 1 und die Gehäusekappe 2 sind Drehteile, die aus einem Material bestehen, welches sich mittels eines Laserschweißgerätes verschweißen läßt. Der Gehäuseboden 3 besitzt noch zwei seitliche Befestigungslöcher 12.
Figur 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Gehäusekappe 2 in die die Linse 7 mittels eines Montageblocks 13 eingesetzt ist.
Die Linse 7 befindet sich in einer Uffnung 14, an die sich eine nach oben breiter werdende Senke 15 anschließt. Die Senkung .15 ist so ausgebildet, daß mit einer Mikropipette 16 ein flüssiger Kleber zwischen Linse 7 und die sie umgebende Gehäusekappe 2 eingebracht werden kann. Die Linse 7 liegt dabei mit ihrer plangeschliffenen Fläche 16'auf der oberen, ebenen Fläche 17 des Montageblocks 13 auf. Die Fläche 16 wird von einer zylindrischen Mantelfläche 18 begrenzt. Die Kugelfläche 19 der Linse 7 ist nach oben gerichtet und begrenzt die Höhe der Mantelfläche 18.
Wird nun an einigen Stellen mittels einer Pipette 16 der flüssige Kleber zwischen Mantelfläche 18 und die sie umgebende Wandung der Uffnung 14 eingebracht, so verteilt sich der Kleber durch den Kapillareffekt auf der gesamten Mantelfläche 18. Außerdem bewirkt die Oberflächenspannung des Klebers, daß die Linse 7 innerhalb der Uffnung 14 zentriert wird.
Damit der Kleber die untere Fläche 16 der Linse 7 nicht verunreinigt, ist in die ebene Fläche 17 des Montageblocks 13 ein ringförmiger Einstich 23 eingearbeitet. Dieser Einstich 23 ist so angeordnet, daß die untere Kante der Mantelfläche 18 nicht auf dem Montageblock 13 aufliegt.
Nachdem der flüssige Kleber in den engen Spalt zwischen Linse 7 und Gehäusekappe 2 eingebracht ist, kann dieser z.B. durch UV-Bestrahlung ausgehärtet und längere Zeit bei höheren Temperaturen ausgegast werden. Der ausgehärtete Kleber gewährleistet dann eine gasdichte Verbindung zwischen Linse 7 und Gehäusekappe 2. Die derart vorgefertigte Gehäusekappe 2 mit Linse 7 kann dann zusammen mit dem Positionierring 1 wie bei Figur 1 beschrieben justiert und verschweißt werden. Das lichtemittierende Halbleiterelement 5 befindet sich dann in einem vollständig abgekapselten Innenraum.
Figur 4 zeigt von oben die Lage der Linse 7 in der Uffnung 14.
Durch das Einbringen des Klebers 20 wandert die Linse 7 beispielsweise von der mit unterbrochener Linie dargestellten Position 21 in die Mitte der Uffnung 14 und nimmt dadurch die konzentrische Position 22 ein.
Durch die Verwendung einer kurzbrennweitigen Mikrolinse erhält man eine äußerst kompakte Ausführung für den Halbleiterlaser mit Kollimierungslinse. Die Mikrolinse muß nicht mit Einstellvorrich- tungen in der Gehäusekappe justiert werden, wodurch erst die Verwendung einer äußerst kleinen Mikrolinse möglich wird. Durch die Selbstzentrierung und die Verwendung des Montageblocks 13 wird sichergestellt, daß die optische Achse der Linse 7 mit der Mittelachse der Gehäusekappe 2 deckungsgleich ist.

Claims

PATENTANSPRUCHE ½ Halbleiterlaser mit einer Linse zur Kollimierung der vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgesendeten Strahlunq, der in einem aus- einem Gehäuseboden und einem Gehäuseoberteil bestehenden Gehäuse angeordnet ist, dadurch g e k en n z e i c h n e t, daß die Linse (7) eine kurzbrennweitige, sphärische Mikrolinse ist, die in eine in einer Gehäusekappe (2) konzentrisch angeordnete, an den Linsendurchmesser angepaßte Uffnung (14) eingesetzt ist, und daß die Gehäusekappe (2) auf einen Positionierring (1) aufgesetzt und über diesen mit dem Gehäuseboden (3) des Halbleiterlasers verbunden ist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Gehäusekappe (2) und der Positionierring (1) Drehteile sind, die zum Justieren in Richtung der optischen Achse gegeneinander teleskopartig verschiebbar sind.
3. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die dem lichtemittierenden Halbleiterelement (5) zugewandte Seite der Linse (7) eine zu ihrer optischen Achse senkrechte, plangeschliffene Fläche (16) ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Linse (7) zwischen ihrer Kugelfläche (19) und der plangeschliffenen Fläche (16) als Begrenzungsfläche eine zylindrische Mantelfläche (18) hat, an der die Linse (7) mit der Gehäusekappe (2) verklebt ist.
5. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Linse (7) eine Brennweite hat, die kleiner als 2 mm ist, und aus einem Glas besteht, das einen Brechungsindex n > 1,7 hat.
6. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch g e k ein n z e i c h n e t , daß die Offnung (14) in einer in der Gehäusekappe (2) vorgesehenen Senkung (15) angeordnet ist.
7. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Positionierring (1) mit dem Gehäuseboden (3) und mit der Gehäusekappe (2) verschweißt ist.
8. Verfahren zur Herstellung des eine Kollimierungslinse enthaltenden Gehäuseoberteils eines. Halbleiterlasers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Positionierring (1) zusammen mit der Gehäusekappe (2) horizontal auf dem Gehäuseboden (3) verschoben wird, bis die optische Achse der Linse (7) das lichtemittierende Halbleiterelement (5) durchläuft; daß dann der Positionierring (1) mit dem Gehäuseboden (3) verschweißt wird; daß danach die Gehäusekappe (2) vertikal gegenüber dem lichtemittierenden Halbleiterelement (5) verschoben wird, bis die gewünschte Kollimierung auftritt; und daß in dieser Position die Gehäusekappe (2) mit dem Positionierring (1) verschweißt wird, wobei für die Schweißvorgänge ein Laserschweißgerät verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Linse (7) auf einer ebenen Montagefläche (17) aufliegend in die Uffnung (14) eingesetzt wird, daß dann ein flüssiger Kleber zwischen Linse (7) und Gehäusekappe (2) eingebracht wird, so daß bedingt durch die Oberflächenspannung des Klebers die Linse (7) selbsttätig in der Uffnung (14) zentriert wird, und daß der Kleber dann ausgehärtet und bei höheren Temperaturen ausgegast wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n:z e i c h n e t daß die Montagefläche (17) einen ringförmigen Einstich (23) aufweist, dessen mittlerer Durchmesser dem Durchmesser der ebenen Fläche (16) der Linse (7) entspricht.