DE3307933A1

DE3307933A1 - Optoelektronische sendeeinheit

Info

Publication number: DE3307933A1
Application number: DE19833307933
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. 7150 Backnang Möss
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1983-03-05
Filing date: 1983-03-05
Publication date: 1984-10-11
Also published as: DE3307933C2

Description

Optoelektronische Sendeeinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Sendeeinheit mit einer in einem Gehäuse auf einem Träger angeordneten Laserdiode und einem durch eine Gehäusewand geführten und auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichteten Lichtwellenleiter.
Eine derartige optoelektronische Sendeeinheit ist aus der DE-AS 27 50 322 benannt. Sie besteht aus einem Gehäuse, in dem nur die Laserdiode angeordnet ist. Die Ansteuerschaltung für die Laserdiode ist getrennt hiervon in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Es sind daher ziemlich lange elektrische Verbindungsleitungen zwischen der Ansteuerschaltung und der Laserdiode erforderlich, die aber einen Betrieb der Anordnung bei sehr hohen Frequenzen (>1 GHz) nicht zulassen.
Soll aber die Anordnung bei sehr grossen Frequenzen betrieben werden, so ist auf möglichst kurze elektrische Verbindungsleitungen zu achten. Verwirklichen lässt sich das dadurch, dass die Laserdiode zusammen mit ihrer Ansteuerschaltung in einem Gehäuse untergebracht wird. Dies hat zur Folge, dass sich aufgrund der von den Schaltelementen entwickelten Verlustwärme das Gehäuse und der Träger, auf dem die Laserdiode angeordnet ist, ausdehnen. Die Materialausdehnung bringt aber eine gegenseitige Verschiebung zwischen dem Lichtwellenleiter und der Laserdiode mit sich. Dies bedeutet, dass die einmal exakt auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichtete Stirnfläche des Lichtwellenleiters einen laterialen Versatz erfährt und dadurch eine hohe Koppeldämpfung zwischen der Laserdiode und dem Lichtwellenleiter auftritt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Sendeeinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der trotz Wärmeausdehnung des Gehäuses und des Laserdiodenträgers der Lichtwellenleiter exakt auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichtet bleibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Laserdiodenträger einen solchen Temperaturkoeffizienten aufweist und die Gehäusewand, durch welche der Lichtwellenleiter geführt ist, aus einem Material mit einem derartigen Temperaturkoeffizienten besteht, dass die durch die Wärmeausdehnung der Gehäusewand erfolgte laterale Verschiebung des Lichtwellenleiters betrags- und richtungsmässig der Versetzung der Laserdiode aufgrund der Wärmeausdehnung des Laserdiodenträgers entspricht.
Zweckmässige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung mehr erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein teilweise aufgeschnittenes Gehäuse mit einer Laserdiode und einem damit optisch gekoppelten Lichtwellenleiter und Fig. 2 ein komplettes Gehäuse mit einer an den Laser angeschlossenen auf einen Substrat angeordneten Ansteuer- und Regelschaltung.
Das in der Fig. 1 dargestellte Gehäuse 1 besitzt in einer Seitenwand 2 eine Durchführungshülse 3 für einen-Lichtwellenleiter 4. Dieser ist in eine Metallkapillare 5 eingelötet, damit er die nötige Steifigkeit bekommt, um ihn von der Aussenseite des Gehäuses her mit einem xyz--Manipulator positionieren zu können. Ohne die Kapillare müsste sonst der xyz-Manipulator den Lichtwellenleiter wegen seiner geringen Eigensteifigkeit am Ende kurz vor der Laserdiode 6 umfassen.
Ein Operieren mit dem xyz-Manipulator innerhalb des Gehäuses ist aber kaum möglich wegen der sehr geringen Gehäuseabmessungen. Es bestünde hierbei die Gefahr, dass die optisch aktive Fläche der Laserdiode beschädigt wird.
Nachdem der Lichtwellenleiter mit seiner Stirnfläche exakt auf die aktive Fläche der Laserdiode ausgerichtet worden ist, wird die Kapillare 5 in der Durchführungshülse 3 mittels eines Lotes fixiert. Das Lot kann dabei vorzugsweise als Lotpreform oder Lotpaste zugeführt und durch berührungslose Impulslötverfahren, z. B. IR-, Laser- oder Heissgaslöten mit Formiergas verflüssigt werden. Ein berührungsloses Impulslötverfahren ist deshalb zweckmässig, weil dadurch eine übermässige Temperaturbelastung der in dem Gehäuse untergebrachten Halbleiterelemente vermieden wird, welche zu einer Ansteuer- und Regelschaltung für die Laserdiode gehören. Durch das Verlöten der Kapillare in der Durchführungshülse wird einerseits der Lichtwellenleiter in der Justierlage fixiert und andererseits das Gehäuse an der Durchführungsstelle hermetisch abgeschlossen.
Die Laserdiode 6, worauf der Lichtwellenleiter ausgerichtet wird, befindet sich auf einem Träger, der auf dem Gehäuseboden 7 befestigt ist. Der Träger ist so ausgebildet, dass die Laserdiode von Temperaturschwankungen unbeeinflusst bleibt, denn mit der Temperatur ändern sich die Lasereigenschaften, wie die Steigung der Laserkennlinie, der Laserschwellstrom, die Ausgangsleistung und auch die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts. Um also die Laserdiode auf einer konstanten Temperatur zu halten, ist sie auf einer Wärmesenke in Form eines dickeren Metallblocks 7 angeordnet. Der Metallblock wiederum lagert auf einem sogenannten Peltierelement. Es besteht aus einem Halbleitermaterial z. B. Wismut- Tellurid, das zwischen zwei Berylliumoxydplatten 9 und 10 eingeführtist. Das Peltierelement, das je nach elektrischer Ansteuerung entweder als Heiz- oder Kühlelement dient, ist Stellglied in einem Temperaturregelkreis für die Laserdiode. Die Regelgrösse (Lasertemperatur) wird mit einem Miniaturthermistor, der direkt an der Laserdiode montiert ist (in der Zeichnung nicht dargestellt), ermittelt.
In dem Gehäuse entsteht eine relativ hohe Verlustwärme, hauptsächlich verursacht durch das Peltierelement und auch durch die Laseransteuer- und Regelschaltung, die wie Fig. 2 zeigt, zusammen mit der Laserdiode in einem Gehäuse 1 untergebracht ist. Die direkte Nähe der auf einem Dick- oder Dünnschichtsubstrat 11 aufgebrachten Ansteuer- und Regelschaltung zur Laserdiode erfordert nur sehr kurze Verbindungsleitungen 12, weshalb ein Betrieb der Anordnung bei sehr hohen Frequenzen ( > 1 GHz) möglich ist.
Die Verlustwärme in dem Gehäuse 1 führt zu Materialausdehnungen sowohl der Gehäusewände als auch des Trägers der Laserdiode. Dies hat zur Folge, dass sich der durch die Gehäusewand 2 geführte Lichtwellenleiter 4 gegenüber der Laserdiode 6 sowohl in axialer Richtung (z-Richtung) als auch in lateraler Richtung (x-Richtung) verschiebt. Der Versatz in z-Richtung kann unbeachtet bleiben, weil sein Einfluss auf die Koppeldämpfung vernachlässigbar gering ist. Es müssen aber Massnahmen ergriffen werden, um eine Dejustage in lateraler Richtung (x-Richtung) zu vermeiden, weil hierdurch sich die Koppeldämpfung stark erhöht.
Erfindungsgemäss, werden daher für die den Lichtwellenleiter 4 tragenden Gehäusewand 2 und den Laserdiodenträger Materialien mit solchen Temperaturkoeffizienten gewählt, die gewährleisten, dass der laterale Versatz des Lichtwellenleiters betrags- und richtungsmässig gleich ist dem Versatz der Laserdiode.
Bei den nachfolgend aufgeführten Werkstoffen und Abmessungen der einzelnen Komponenten hat sich bei einer Temperaturdifferenz zwischen dem Gehäuse und der Laserdiode von ca. 60 grad eine laterale Lageabweichung der Lichtwellenleiterstirnfläche von der optisch aktiven Fläche der Laserdiode von nur etwa 0, 1 um eingestellt.
Für die Durchführungshülse 3 wurde ein Stahl mit einem Temperaturkoeffizienten a = 16 ~ t° K für die Kapillare 5 6 1 undK Messing mit a = 18,4 . 10 6 K und für die Gehäusewand 2 FeNiCo (Kovar) mit a = 5,5 . 10 K gewählt.
Der als Wärmesenke für die Laserdiode dienende Metallblock 7 hat eine Höhe von 3,2 mm und besteht aus Kupfer mit -61 a = 16,8 . 10 Das Peltierelement besteht aus zwei Berylliumoxydplatten 9 -6 1 und 10 mit einer Stärke von je 0,8 mm mit a = 7,5 ~ 10 und das zwischen den Platten angeordnete Halbleiterelement 8 -6 1 besteht aus Wismut-Tellurid mit a = 12,1 ~ 10 6 K und hat eine Höhe von 1,7 mm.
Zwischen dem Peltierelement und dem Gehäuseboden liegt noch eine Metallplatte 13. Diese Platte sorgt für einen Ausgleich der Wärmeausdehnung des Laserdiodenträgers, da die Wärmesenke und das Peltierelement in ihren Abmessungen und Materialen ziemlich festgelegt sind, um die Laserdiode auf konstanter Temperatur zu halten. Den Beitrag zur Wärmeausdehnung des Trägers in Übereinstimmung mit der Wärmeausdehnung der den Lichtwellenleiter tragenden Gehäusewand, welchen die Wärmesenke und den Peltierelement nicht liefern können, bringt also die -6 1 Metallplatte 13. Sie besteht aus Kupfer mit a = 16,8 ~ 10 und hat eine Dicke von 2,6 mm.

Claims

Patentansprüche 1. Optoelektronische Sendeeinheit mit einer in einem Gehäuse auf einem Träger angeordneten Laserdiode und einem durch eine Gehäusewand geführten und auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichteten Lichtwellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserdioden-Träger (7, 8, 9, 10, 13) einen solchen Temperaturkoeffizien#ten aufweist und die Gehäusewand (2), durch welche der Lichtwellenleiter (4) geführt ist, aus einem Material mit einem derartigen Temperaturkoeffizienten besteht, dass die durch die Wärmeausdehnung der Gehäusewand erfolgte laterale Verschiebung des Lichtwellenleiters betrags- und richtungsmässig der Versetzung der Laserdiode (6) aufgrund der Wärmeausdehnung des Laserdiodenträgers entspricht.
2. Optoelektronische Sendeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger für die Laserdiode (6) aus einer Wärmesenke (7) in Form eines Metallblocks, einem darunter angeordneten Peltierelement (8, 9, 10) und einer zwischen dem Gehäuseboden (7) und dem Peltierelement angeordneten Metallplatte (13) besteht.
3. Optoelektronische Sendeeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (7) aus Kupfer oder Diamant, das Peltierelement aus einem zwischen Berylliumoxidplatten (9, i0) befindlichen Wismut-Tellurid Halbleiterelement (8) und die Metallplatte (13) aus Kupfer besteht.
4. Optoelektronische Sendeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (2), durch welche der Lichtwellenleiter (4) geführt ist, aus FeNiCo oder Stahl besteht.