DE3336759A1 - Licht emittierende einrichtung - Google Patents

Licht emittierende einrichtung

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Description

-A-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Licht emittierende Einrichtung und insbesondere eine Laserdioden-Einrichtung mit optischer .Faser, die zur Lichtübertragung Anwendung findet. '
Als ein Typ von Lichtübertragungseinrichtungen wie optischen Kommunikationseinrichtungen war bislang ein mit einer optischen Faser kombiniertes Halbleiterlaser-Bauelement bekannt. Eine Lasermodul-Einheit, in der eine optische Ein-Mode-Faser und ein Halbleiterlaserchip Anwendung finden, ist beispielsweise in der amtlichen japanischen Offenlegungsschrift unter der Anmelde-Nummer 57-2589 beschrieben. Diese Lasermodul-Einheit verwendet für die Fotokopplung zwischen dem Laserchip und der optischen Faser eine Kondensorlinse usw. und weist einen komplizierten Aufbau auf.
Der Erfinder entwickelte früher als eine optische Kommuni- ! kationseinrichtung eine Laserdioden-Einrichtung mit opti- | scher Faser mit einem Aufbau, wie er in den Fig.' 1 bis 3 gezeigt ist. Diese Laserdioden-Einrichtung weist zwischen einem Laserchip und einer optischen Faser keine Kondensor- i linse usw. auf und zeichnet sich sowohl durch einfachen Aufbau als auch durch geringe Größe aus. Sie ist auf der Grundfläche einer länglichen Grundplatte (stern) 1 montiert. ■ Für die Grundplatte 1 wird eine Oberfläche einer länglichen Metallplatte zugeschnitten, um in ihrem Mittenbereich eine ringförmige_ Abschlußwand 2 zu bilden, die Innenseite dieser ringförmigen Abschlußwand 2 tiefer ausgenommen und daraufhin in Bodenmitte des Hohlraums ein Sockelbereich 3 gebildet. Mittels eines Lotes ist eine Auflage 4 auf dem Socke1-
'3o bereich 3 und darauf ein Laserdiodenchip 5 befestigt. An beiden Enden der Grundplatte 1 sind jeweils in Richtung der
Austrittsflächen des Chips 5, aus denen die Laser-Strahlung austritt, verlaufende Führungsöffnungen 6 und 7 vorgesehen. Eine Faserführung 9, in der die optische Faser 8 mittig und mit guter Passung eingelegt und befestigt ist, ist in eine Führungsöffnung 6 eingesetzt und mit einer Silberpaste 10 auf der Grundplatte 1 befestigt. Das vordere Ende der optischen Faser 8 liegt einer Austrittsfläche des Chips 5 gegenüber, um die Laser-Strahlung in diese optische Faser 8 aufzunehmen. Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des befestigten Spitzenbereiches der optischen Faser·." Wie in dieser Figur dargestellt, ist der Spitzenbereich der optischen Faser 8 am Sockelbereich 3 der Grundplatte 1 mit einem Befestigungsmaterial 11, wie einem Harz oder einem Lot, angebracht, damit die'Wirksamkeit der Aufnahme des Lichts in die optische Faser 8 (Wirkungsgrad der Fotokopplung) nicht aufgrund von Vibrationen schwankt. Bei einer Ein-Mode-Faser mit einem Kerndurchmesser von etwa 8 μπι muß die Ausrichtgenauigkeit der optischen.Achse der optischen Faser 8 an ihrem vorderen Ende relativ zum Chip'5 in einem Bereich von z.B. Z 0,2 bis 0,3 jj.m gehalten werden, um einen gewünschten, für die Anwendung geeigneten Wirkungsgrad der Fptokopplung zu erzielen.
In der anderen Führungsöffnung 7 ist dagegen eine Überwachungsfaser 12 mit guter Passung eingesetzt und befestigt.
Das vordere Ende dieser Überwachungsfaser 12 liegt der anderen Austrittsfläche des Chips 5 gegenüber, um die Lichtintensität der Laser-Strahlung zu überwachen. Zusätzlich sind in der Grundplatte 1 zwei Zuleitungen (Anschlüsse) 13 und 14 angeordnet. Eine Zuleitung 13 ist ein mit der Grundplatte 1 verschweißter Erdleiter, der mit der unteren Elektrode des Chips 5 durch die Grundplatte 1 sowie die Auflage 4 elektrisch verbunden ist. Die andere Zuleitung 14 ist -nicht gezeigt- an der Grundplatte 1 mittels Glas (Isolator) befestigt, und ihr inneres Ende verläuft von einer Abschlußfläche der Grundplatte 1 bis in den freien Bereich innerhalb
der ringförmigen Abschlußwand 2. Dieses innere Ende und die obere Elektrode des Chips 5 sind mit einer Leitung (Draht) 15 aus Gold elektrisch verbunden. Darüberhinaus ist oben auf der ringförmigen Abschlußwand 2 eine flache Kappe 16 durch eine Schweißnaht luftdicht angebracht," um ■ den Chip 5 usw. hermetisch zu verkapseln.
Die Ausrichtung der optischen Achsen der Faser und des Laserchips in einer derartigen Laserdioden-Einrichtung wird so durchgeführt, daß die Position, in der ein Maximum der von dem fixierten Laserchip· 5 emittierten Strahlung in die optische Faser 8 aufgenommen werden kann, mittels eines Fotodetektors unter Bewegung dieser optischen Faser exakt gemessen und die Faser daraufhin befestigt wird. Die Untersuchung des Erfinders machte jedoch deutlich, daß sich trotz der exakten Ausrichtung der optischen Achsen der optischen Faser und des Chips die optische Achse der optischen Faser nach ihrer Befestigung verschiebt, so daß der Wirkungsgrad ■ der Fotokopplung abnimmt.
Als Grund dafür wurde herausgefunden, daß das vordere Ende (fotogekoppelte Ende) der optischen Faser 8 aufgrund der Schrumpfung beim Aushärten des Befestigungsmaterials 11 nach unten gezogen wird, wodurch eine Verschiebung aus seiner ursprünglichen Lage stattfindet.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 4 dargestellt. Die Figur zeigt beispielhaft einen Teilguerschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 1. Das Befestigungsmaterial 11, wie z.B. Harz, . dehnt sich von der optischen Faser 8 nach unten aus und zieht die Faser bei seiner Aushärtung nach unten (der Richtungssinn der nach unten wirkenden Kräfte ist in der Figur mit Pfeilen verdeutlicht). Da der Betrag der Versetzung nach unten maximal 0,3 - 0,4 μπ\ beträgt, nimmt der Wirkungsgrad der Fotokopplung ab, was dazu führt, daß sich
die Ausbeute der Laserdioden-Einrichtung verringert. Insbesondere im Falle einer Ein-Mode-Faser mit einem Durchmesser des Kerns 21 von wenigen μΐη tritt der Nachteil auf, daß das Licht kaum noch empfangen werden kann.
Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, eine Licht emittierende Einrichtung zu schaffen, bei der die Probleme vergleichbarer Einrichtungen nach dem Stand der Technik mindestens teilweise beseitigt sind.
Eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine Laserdioden-Einrichtung mit optischer Faser anzugeben, bei der ein hoher Wirkungsgrad der Fotokopplung aufrechterhalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung zur Lösung dieser Aufgaben besteht in einer Laserdioden-Einrichtung mit.optischer Faser, deren fotogekoppeltes Ende so angeordnet ist, daß es von von einer Austrittsfläche eines Laserdiodenchips emittierter Laser-Strahlung getroffen wird. Erfindungsgemäß wird die optische Faser hierbei zentral von einem Befestigungsmaterial aus einem Harz oder Hartlotmaterial gelagert, das in eine in einem Auflager vorgesehene Rinne oder Öffnung dicht eingebracht und ausgehärtet wird, wodurch die Halterung der optischen Faser so erfolgt, daß über ihren ge- ■ samten Außenumfang radiale Zugkräfte wirken.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Laserdioden-Einrichtung mit optischer Faser, wie sie früher vom Erfinder entwickol· wurde;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Teiles von Fig. 2;
Fig. .4 einen Querschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 1 zur Erklärung des Nachteiles des Standes der Technik; Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Laserdioden-Einrichtung mit optischer Faser gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor-. liegenden Erfindung;
Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie V-V. in Fig. 4; Fig. 7 einen vergrößerten Querschnitt eines Teiles von • Fig. 5; ·
Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt eines Lagerbereiches der optischen Faser entlang der Linie III-III in Fig. 5;
Fig. 9 einen vergrößerten Querschnitt eines Lagerbereiches . der optischen Faser in einer Laserdioden-Einrichtung mit optischer Faser gemäß einem weiteren Ausführungsbexspiel der . vorliegenden Erfindung;.
Fig. 10 einen vergrößerten Querschnitt eines Lagerbereiches der optischen Faser in einer Laserdioden-Einrichtung mit optischer Faser gemäß einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 10 gezeigten Lagerbereiches der optischen Faser; und Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Ausführungsform des Lagerbereiches der optischen Faser.
. In den Fig. 5 bis 8 wird eine Laserdioden-Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Diese Laserdioden-Einrichtung ist ebenso wie die in den Fig. 1 bxs 3 gezeigte Laserdioden-Einrichtung nach dem Stand der Technik auf der Grundfläche einer länglichen Metallgrundplatte 1 montiert. Die Grundplatte 1 ist derart ausgebildet, daß eine Oberfläche einer länglichen Metallplatte zur Bildung einer ringförmigen Abschlußwand 2 in ihrem Mittenteil zugeschnitten und die Innenseite der ringförmigen Abschlußwand 2 noch tiefer ausgenommen ist, wonach in Bodenmitte des Hohlraums ein Sockelbereich 3 gebildet ist. Mittels eines Lotes ist auf dem Sockelbereich 3 eine Auflage 4 und darauf ein Laser-
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diodenchip 5 befestigt. An beiden Enden der Grundplatte 1 sind jeweils in Richtung der Austrittsflächen des Chips 5, aus denen die Laser-Strahlung austritt, verlaufende Fühi-ungs Öffnungen 6 und 7 vorgesehen. Eine Faserführung 9, in der d; optische Faser 8 mittig und mit guter Passung eingelegt und befestigt ist, ist in eine Führungsöffnüng 6 eingesetzt und mit einer Silberpaste 10 an der Grundplatte 1 befestigt. Da; •vordere Ende der optischen Faser 8 liegt einer Austrittsfläche des Chips 5 gegenüber, um die Laser-Strahlung in diese optische Faser 8 aufzunehmen. - -
Hierbei tritt, wie in Fig. 7 dargestellt, das vordere Ende (fotogekoppelte Ende) der optischen Faser 8 durch eine Öffnung 20, die in einem aus dem Sockelbereich 3' der Grundplatte 1 vorstehenden Auflager 19 vorgesehen ist, und wird
15- mit einem Befestigungsmaterial 11,.wie z.B. einem Harz oder • einem Lot, am Auflager 19 befestigt, damit die Wirksamkeit der Aufnahme des Lichts in die optische Faser 8 (Wirkungsgrad der Fotokopplung) nicht aufgrund von Vibrationen schwankt. Zusätzlich weist der Kern 21 der optischen Faser in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 5-10 auf. Daneben wird der obere Teil des Auflagers 19 von^einer schrägen Oberfläche 22 gebildet, so daß das Befestigungsmaterial 11 aus dem Harz oder Hartlotmaterial ohne Schwierigkeit in die Öffnung 2 0 mit einem Durchmesser von etwa 0,5 m zugeführt wird. Weiterhin ist der Teil des Sockelbereiches auf der Innenseite des Auflagers ί 9 mit einer Ausflußvertiefung mit 0,5 mm Breite versehen, die das aus der kreisrunden Durchgangsöffnung 20 übergelaufene Befestigungsma- ■ terial 11 aufnimmt und ableitet. Damit wird verhindert, daß die Stirnflächen der Auflage"4 und des Chips 5 mit dem aus der Öffnung 20 übergelaufenen Befestigungsmaterial 11 bedeckt werden und die Aufnahme der Laser-Strahlung 18 behindert wird.
Daneben ist die Uberwachungsfaser 12 in der anderen Füh-
- 1o -
rungsöffnung 7 mit guter Passung eingelegt und befestigt. Das vordere Ende dieser Überwachungsfaser 12 liegt der anderen Austrittsfläche des Chips 5 gegenüber, um die Lichtintensität der Laser-Strahlung zu überwachen. Zusätzlich sind zwei Zuleitungen 13 und 14 in der Grundplatte 1 angeordnet. Eine Zuleitung 13 ist ein mit der Grundplatte 1 verschweißter Erd-' leiter, der mit der unteren Elektrode des Chips 5 durch die Grundplatte 1 sowie die Auflage 4 elektrisch verbunden ist. Die andere'Zuleitung 14 ist -nicht gezeigt- durch Glas (Isolator) an der Grundplatte 1 befestigt, und ihr inneres Ende verläuft von einer Abschlußfläche der Grundplatte 1 in den freien Bereich auf der Innenseite der ringförmigen Abschlußwand 2. Das innere Ende und die obere Elektrode des Chips 5 sind durch eine Leitung (Draht) 15 aus Gold elektrisch verbunden. Weiterhin ist auf der Oberseite der ringförmigen Abschlußwand 2 durch eine Schweißnaht eine flache Kappe 16 luftdicht angebracht, um den Chip 5 usw. hermetisch zu verkapseln.
Beim Zusammenbau einer solchen Laserdioden-Einrichtung wird nach Justierung der optischen Achsen des Chips 5 und der op-'tischen Faser 8 das Befestigungsmaterial 11 in die Öffnung 20, durch die die optische Faser 8 verläuft, eingeführt und ausgehärtet. Deshalb verläuft, wie-in Fig. 8 gezeigt, die optische Faser 8 entlang der Achse der öffnung 20, und ihr gesamter äußerer Umfang wird gleichmäßig vom Befestigungsmaterial 11 gehalten. Folglich wird selbst nach Einsetzen der durch das Aushärten hervorgerufenen Schrumpfung des Befestigungsmaterials 11 der gesamte äußere Umfang der optischen Faser 8 gleichmäßig in radialer Richtung gezogen, und die Faser wird somit ohne Veränderung ihrer durch die Ausrichtung der optischen Achsen eingestellten Lage befestigt, so daß ein hoher Wirkungsgrad der Fotokopplung der optischen Faser 8 mit dem Chip 5 aufrechterhalten werden kann. Demgemäß kann die einen guten Wirkungsgrad der Fotokopplung aufweisende Laserdio.den-Einrichtung mit hoher Ausbeute hergestellt werden.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. In einem zweiten Ausführungsbeispiel/ wie es in Fig. 9 gezeigt ist, ist das Auflager 19 zur Halterung der optischen Faser 8 mit einer Rinne 24 versehen, und die optische Faser 8 verläuft entlang der Achse dieser Rinne 24, und ihr gesamter Außenumfanc wird von dem dicht in die Rinne eingebrachten Befestigungs- - material 11 gehalten. Auf diese Weise wird die optische Faser 8.ebenso wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel befestigt, während der Ausrichtungszustand der optischen Achse beibehalten wird.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 10 gezeigt;ist, können im Auflager 19 zur Halterung der optischen Faser 8 eine Nut (feiner Schlitz) 25 und.eine damit zusammenhängende öffnung 26 vorgesehen werden, und die optische Faser 8 kann entlang der Achse der öffnung 26 verlaufen, so daß ihr gesamter Außenumfang von dem dicht in diese öffnung eingebrachten Befestigungsmaterial 11 gehalten wird.
Wie der Figur zu entnehmen ist, wird die Breite W des Schiit zes 25 kleiner als der Durchmesser der öffnung 26 .gehalten. Wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels wird der gesamt Außenumfang der optischen Faser 8 demgemäß einheitlich in ra dialer Richtung gezogen, und die optische Faser kann ohne Veränderung ihrer durch die Ausrichtung der optischen Achse eingestellten Position befestigt werden.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß das Befestigungsmaterial 11 zur Befestigung der optischen Faser 8 wirkungsvoll vom feinen Schlitz 25 in die öffnung 2 6 eingebraclr werden kann.
Das äußere Aussehen des in Fig. 10 gezeigten Auflagers 19 ist derart, daß die Nut 25 mit der öffnung 2.6 zusammenhängend ausgebildet wird, wie in Fig. 11 gezeigt.
Das Auflager 19 kann auch einen Aufbau mit einer öffnung 27 zum Einbringen des Befestxgungsmaterials aufweisen, wie er in Fig. 12 gezeigt ist.
Darüberhinaus kann die optische Faser 8 beim Zusammenbau der Laserdioden-Einrichtung vorteilhaft durch den Schlitz 25 in die öffnung 26 eingeführt werden, wenn die Breite W des Schlitzes 25 größer als der Durchmesser der optischen Faser gehalten wird. Daneben kann der Schlitz 25 statt im Oberteil des Auflagers 19 selbstverständlich in einem Seitenteil vorgesehen werden.
Wie oben ausgeführt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Laserdioden-Einrichtung mit optischer Faser angegeben werden, die geeignet ist, einen hohen Fotokopplungs-Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
Die vorliegende Erfindung ist auf Lichtübertragungseinrichtungen anwendbar, die Fasern für Audio- und Kommunikationszwecke verwenden, und sie zeigt den größten Nutzeffekt, wenn sie auf Laserdioden-Einrichtungen mit optischen Ein-Mode-Fasern mit kleinem Kerndurchmesser angewandt wird.
Ah/bi
- β-
- Leerseite -

Claims (7)

  1. * Ύ Λ f
    »Μ · 0
    STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ
    WIDENMAYERSTRASSE 17. I)-HOOO MÜNCHEN 22
    Dipl. inc;, i'ktkk ktkkiii.
    dipl.cukm. hk uksui.a schuhki. ιιπιί
    DIPL. PIIYS. OK. HOTCiEH SCIIUl.Z.
    AUCH RECHTSANWALT IiKI DEN LANI)IiKKlCIlTIvN MUNClII-N 1 UND Il
    HITACHI, LTD. TMM1HMSSsM11
    ALSO KUKOPKAN I1ATKNT ATIt)KNKYS
    TKLKI-ON K)HiJI 22 3911 TKLIvX r>21 40M(> SSS TKLI'COPIKK K)Hi)I 22M!Mfi
    DEA-26166
    10. Oktober 1983
    Licht emittierende Einrichtung
    CV. Licht emittierende Einrichtung, wobei ein Licht emittierendes Element (5) und das fotogekoppelte Ende einer optisehen Faser (8) zum Empfang von vom Licht emittierenden Element (5) ausgesandten Licht im selben abgeschlossenen Gehäuse (1-3, 16) untergebracht sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (8) in einer in einem Auflager (19) zu ihrer Lagerung vorgesehenen Rinne (24) oder Öffnung (20) so gehaltert ist, daß ihr gesamter Umfang mit einem Befestigungsmaterial (11) umgeben ist.
  2. 2. Laserdioden-Einrichtung mit einer optischen Faser (8) mit einem fotogekoppelten Ende, das so angeordnet ist, daß es von
    von einer Austrittsfläche eines Laserdioden-Chips (5) emittierter Laser-Strahlung (18) getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (8) in einer in einem Auflager (19) vorgesehenen Rinne (24) oder öffnung (20) so gelagert ist, daß ihr gesamter Umfang mit einem Befestigungsmaterial (11) umgeben ist.
  3. 3. Lichtübertragungseinrichtung,
    gekennzeichnet durch eine Licht emittierende Einrichtung (5), eine optische Faser (8), die Licht von der Licht emittierenden Einrichtung überträgt, und ein Auflager (19) zur Lagerung der optischen Faser (8), wobei das Auflager (19) mit einer Durchtrittsöffnung (26) versehen ist, durch die die optisehe Faser (8) verläuft und in der sie von einem Befestigungsmaterial (11) gehalten wird.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmaterial (11) ein Harz oder ein Hartlotmaterial wie z.B. Messing ist.
  5. 5. Lichtübertragungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Oberteil des Auflagers (19) ein Schlitz (25)
    vorgesehen ist, der mit der Durchtrittsöffnung (26) zusammenhängt und dazu dient, das Befestigungsmaterial (11) entlang der Durchtrittsöffnung (26) einzubringen.
  6. 6. Lichtübertragungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (W) des Schlitzes (25) kleiner als der Durchmesser der Durchtrittsöffnung (26) ist.
  7. 7. Lichtübertragungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,· daß in einem Oberteil des Auflagers (19) eine Öffnung (27) vorgesehen ist, die mit der Durchtrittsöffnung (26) zusammenhängt und zum Einbringen des Befestigungsmaterials (11) dient. . . .
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