DE3307933C2

DE3307933C2 - Optoelektronische Sendeeinheit

Info

Publication number: DE3307933C2
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: 1987-05-07
Also published as: DE3307933A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Sendeeinheit mit einer in einem Gehäuse (1) auf einem Träger (8, 9, 10, 13) angeordneten Laserdiode (6) und einem durch eine Gehäusewand (2) geführten und auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichteten Lichtwellenleiter (4). Damit durch Wärmeausdehnung des Gehäuses und des Laserdiodenträgers keine Dejustage der Laserdiode und des Lichtwellenleiters eintritt, bestehen die Gehäusewand und der Träger aus Materialien mit solchen Temperaturkoeffizienten, 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 (Fig. 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Sendeeinheit mit einer in einem Gehäuse auf einem ersten Träger angeordneten Laserdiode und einem in dem gleichen Gehäuse von einem zweiten Träger gehaltenen, auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichteten Lichtwellenleiter, wobei der Laserdioden-Träger und der Träger für den Lichtwellenleiter aus Materialien mit derartigen Temperaturkoeffizienten bestehen, daß die durch die Wärmeausdehnung des Lichtwellenleiter-Trägers erfolgte laterale Verschiebung des Lichtwellenleiters betrags- und richtungsmäßig der Versetzung der Laserdiode aufgrund der Wärmeausdehnung des Laserdioden-Trägers entspricht.
Eine derartige optoelektronische Sendeeinheit ist aus der GB-A- 20 93 631 bekannt. Hierbei besteht der Träger für den Lichtwellenleiter aus einer Siliconschicht, auf der der Lichtwellenleiter mit einem Lot fixiert ist, und der Träger für die Laserdiode setzt sich zusammen aus einer Diamantscheibe und einer darunter liegenden Kupferplatte.
Aus der DE-A1- 30 10 820 geht eine optoelektronische Sendeeinheit hervor, bei der sowohl die Laserdiode als auch der optisch damit gekoppelte Lichtwellenleiter einen gemeinsamen als Peltierelement ausgebildeten Träger besitzen. Mit einem solchen Peltierelement kann die Temperatur der Laserdiode geregelt werden.
Aufgrund der in dem die optoelektronische Sendeeinheit aufnehmenden Gehäuse entstehenden Wärme, verursacht durch die Laserdiode und einer ebenfalls in dem Gehäuse untergebrachten Laser-Ansteuerschaltung, dehnen sich die Gehäuse- und Trägermaterialien aus. 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 lateralen 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 die Laserdiode von Temperaturschwankungen unbeeinflußt bleibt und trotz Wärmeausdehnung des Gehäuses und der Träger für den Lichtwellenleiter und die Laserdiode der Lichtwellenleiter exakt auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichtet bleibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung mehr erläutert.
Es zeigt
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 17 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 8, z. B. Wismut-Tellurid, das zwischen zwei Berylliumoxydplatten 9 und 10 eingeführt ist. 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-, y-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-, y-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° eine laterale Lageabweichung der Lichtwellenleiterstirnfläche von der optisch aktiven Fläche der Laserdiode von nur etwa 0,1 µm eingestellt.
Für die Durchführungshülse 3 wurde ein Stahl mit einem Temperaturkoeffizienten α = 16 · 10^-6@O:1:K&udf54; für die Kapillare 5 Messing mit α = 18,4 · 10^-6@O:1:K&udf54; und für die Gehäusewand 2 FeNiCo (Kovar) mit α = 5,5 · 10^-6@O:1:K&udf54; gewählt.
Der als Wärmesenke für die Laserdiode dienende Metallblock 7 hat eine Höhe von 3,2 mm und besteht aus Kupfer mit α = 16,8 · 10^-6@O:1:K&udf54;.
Das Peltierelement besteht aus zwei Berylliumoxydplatten 9 und 10 mit einer Stärke von je 0,8 mm mit α = 7,5 · 10^-6@O:1:K&udf54; und das zwischen den Platten angeordnete Halbleiterbauelement 8 besteht aus Wismut-Tellurid mit α = 12,1 · 10^-6@O:1:K&udf54; und hat eine Höhe von 1,7 mm.
Zwischen dem Peltierelement und dem Gehäuseboden 17 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 Materialien 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 Metallplatte 13. Sie besteht aus Kupfer mit α = 16,8 · 10^-6@O:1:K&udf54; und hat eine Dicke von 2,6 mm.

Claims

1. Optoelektronische Sendeeinheit mit einer in einem Gehäuse auf einem ersten Träger angeordneten Laserdiode und einem in dem gleichen Gehäuse von einem zweiten Träger gehaltenen, auf die optisch aktive Fläche der Laserdiode ausgerichteten Lichtwellenleiter, wobei der Laserdioden-Träger und der Träger für den Lichtwellenleiter aus Materialien mit derartigen Temperaturkoeffizienten bestehen, daß die durch die Wärmeausdehnung des Lichtwellenleiter-Trägers erfolgte laterale Verschiebung des Lichtwellenleiters betrags- und richtungsmäßig der Versetzung der Laserdiode (6) aufgrund der Wärmeausdehnung des Laserdioden-Trägers entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger für den Lichtwellenleiter (4) eine Seitenwand (2) des Gehäuses (1) dient, in der eine den Lichtwellenleiter (4) aufnehmende Durchführungshülse (3) angeordnet ist, und daß der Träger für die Laserdiode (6) aus einer Wärmesenke in Form eines Metallblocks (7), einem darunter angeordneten Peltierelement (8, 9, 10) und einer zwischen dem Boden (17) des Gehäuses (1) und dem Peltierelement (8, 9, 10) angeordneten Metallplatte (13) besteht.

2. Optoelektronische Sendeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (7) aus Kupfer oder Diamant, das Peltierelement aus einem zwischen Berylliumoxidplatten (9, 10) befindlichen Wismut-Tellurid Halbleiterelement (8) und die Metallplatte (13) aus Kupfer besteht.

3. Optoelektronische Sendeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand (2), durch welche der Lichtwellenleiter (4) geführt ist, aus FeNiCo oder Stahl besteht.