-
-
Anordnung zur optischen Anpassung eines Lichtwellen-
-
leiters Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur optischen
Anpassung eines Lichtwellenleiters an ein Gegenstück mit einer Haltevorrichtung,
die das Gegenstück und eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung eines Lichtwellenleiter-Trägers
mit Hilfe eines Befestigungsmittels starr miteinander verbindet. Dabei kann das
Gegenstück eine Lichtquelle oder -senke oder ein weiterer Lichtwellenleiter sein.
Vorzugsweise dient die Anordnung zur optischen Verbindung eines Lichtwellenleiters
mit einer Laserdiode als Lichtquelle.
-
Eine derartige Anordnung ist bereits aus der DE-OS 30 10 820 bekannt.
-
Die bekannte Anordnung enthält eine Haltevorrichtung zur Halterung
eines Lichtwellenleiters, der im Innern einer Kapillare verläuft und mit dieser
mittels Klebstoff verbunden ist. Die Kapillare ist ihrerseits wenigstens an einer
Klebestelle mit der Haltevorrichtung mittels Klebstoff fest verbunden. Um eine möglichst
exakte und dauerhafte Ausrichtung des Lichtwellenleiters zu erzielen, weist die
Kapillare an den Klebestellen eine ebene Außenfläche auf.
-
Dadurch, daß die Kapillare an der Klebestelle eine ebene Außenfläche
aufweist, soll erreicht werden, daß die mechanischen Spannungen, die zur Dejustierung
der
zunächst exakt justierten Kapillare bei Aushärtung oder Alterung
des Klebers führen könnten, erheblich herabgesetzt sind. Auf diese Weise läßt sich
eine optische Anpassung mit dauerhaft gutem Koppelfaktor zwischen dem Lichtwellenleiter
und dem Gegenstück erzielen.
-
Weiterhin ist aus H.L. Althaus und G. Kuhn: "Lasersender in Modulbauweise",
Telcom Report 6 (1983), Beiheft "Nachrichtenübertragung mit Licht", Seiten 90 bis
96 bereits ein Lasersender bekannt, bei dem zwischen einer Laserdioide und einem
Lichtwellenleiter eine Vorrichtung zur optischen Anpassung vorgesehen ist. Die Laserdiode
ist mit einem kurzen Stück Anschlußfaser (pigtail) versehen, das aus dem Lasermodul
herausgeführt ist. Die eigentliche Anpassung der Laserdiode wird im Modul selbst
vorgenommen. Beim Befestigen und Fixieren der einzelnen Komponenten im Innern des
Moduls wird einer Verwendung von Loten der Vorzug gegenüber Kleben gegeben.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur optischen Anpassung
eines Lichtwellenleiters an ein Gegenstück deart auszubilden, daß sich eine möglichst
geringe Dejustierung des Lichtwellenleiters während des Aushärtens bzw. Erstarrens
und Alterns des Befestigungsmittels erzielen läßt, ohne daß ein den Lichtwellenleiter
aufnehmender Lichtwellenleiter-Träger einer Bearbeitung oder besonderen Gestaltung
der Außenfläche an der Klebestelle bedarf.
-
Eine Erkenntnis im Rahmen der Erfindung besteht darin, daß bei einer
zentrischen Anordnung des Lichtwellenleiter-Trägers in einem Hohlraum und bei allseitiger
Begrenzung eines in den Hohlraum eingefüllten Befestigungsmittels durch feste Wände
ein gleich-
mäßiger Kraftangriff am Lichtwellenleiter-Träger selbst
bei schrumpfendem Befestigungsmittel auftritt, so daß der Lichtwellenleiter-Träger
bei härtendem, erstarrendem oder alterndem Befestigungsmittel seine eingestellte
Lage beibehält.
-
Gemäß der Erfindung wird die Anordnung daher derart ausgebildet, daß
die Befestigungsvorrichtung eine Kammer enthält, die in zwei einander gegenüberliegenden
Seitenwänden fluchtend und wenigstens annähernd mittig angeordnete Offnungen zur
Aufnahme des Lichtwellenleiter-Trägers aufweist und daß die Kammer wenigstens eine
Öffnung zum Einfüllen des Befestigungsmittels aufweist.
-
Die Kammer ist insbesondere nach Art eines Behälters mit Deckel ausgebildet.
Eine andere vorteilhafte Möglichkeit der Ausbildung bzw. Herstellung besteht in
der Verwendung eines Hohlprofils von symmetrischem Querschnitt mit aufgesetzten
Abschlußwänden.
-
Als Befestigungsmittel dient vorzugsweise ein Lot, das in flüssigem
Zustand in den Behälter gefüllt wird. Andererseits kann als Befestigungsmittel Kunststoff
bzw.
-
Klebstoff dienen, insbesondere ein solcher, der bei Bestrahlung mit
UV-Licht innerhalb kurzer Zeit aushärtet.
-
Zum Zwecke einer Zuführung von UV-Licht zum Kunststoff können Einfüll-,
Entlüftungs- und/oder weitere Öffnungen Verwendung finden.
-
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß
die gestellten hohen Anforderungen an die Beständigkeit der optischen Anpassung
mit üblichen Lichtwellenleiter-Trägern erfüllt werden können, ohne daß eine besondere
Bearbeitung erforderlich ist.
-
Zweckmäßigerweise sind die Öffnungen zur Aufnahme des Lichtwellenleiter-Trägers
um das Maß eines vorgegebenen
Toleranzausgleiches und eines vorgegebenen
Justierweges größer als der Außendurchmesser des Lichtwellenleiter-Trägers.
-
Zweckmäßigerweise wird dafür gesorgt, daß in die Spalte, die sich
zwischen den Kammerwänden und dem Lichtwellenleiter befindet, kein Befestigungsmittel
eindringt. Insbesondere findet ein entsprechend hochviskoses Befestigungsmittel
Verwendung.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird die Anordnung derart ausgebildet,
daß innen neben den zur Aufnahme des Lichtwellenleiter-Trägers vorgesehenen Öffnungen
der Kammer auf dem Lichtwellenleiter-Träger Dichtungsscheiben angebracht sind.
-
Durch diese Maßnahmen ergibt sich der besondere Vorteil, daß die Spalte,
die sich in den Öffnungen der Kammer zwischen der Kammerwand und dem Lichtwellenleiter-Träger
befinden, auch bei niederviskosen Befesitungsmitteln frei von Befestigungsmittel
bleiben, so daß an diesen Stellen keine störenden Kräfte auf den Lichtwellenleiter-Träger
einwirken können.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Anordnung derart
ausgebildet, daß die Kammer wenigstens näherungsweise von quaderförmiger Gestalt
ist und aus einem wannenförmigen Teil mit Deckel besteht und daß der Deckel mit
wenigstens einer Öffnung zum Entweichen überschüssigen Befestigungsmittels enthält.
-
Dabei kann man die Befestigung des Lichtwellenleiter-Trägers so vornehmen,
daß die Kammer zuerst mit dem Befestigungsmittel gefüllt und daran anschließend
mit dem Deckel versehen wird. In diesem Fall stimmt die Öffnung, die zum Einfüllen
des Befestigungsmittels vorgesehen ist, mit der Öffnung, die mit dem Deckel verschlossen
wird, überein.
-
Man kann den Behälter bereits vor dem Auffüllen mit Befestigungsmittel
mit einem Deckel versehen, der eine Öffnung zum Einfüllen des Befestigungsmittels
aufweist.
-
Insbesondere in diesem Fall ist es zweckmäßig, die Kammer, insbesondere
den Deckel, mit einer weiteren Öffnung zur Entlüftung des Innenraumes zu versehen.
-
Die Anordnung kann besondes vorteilhaft in elektrooptischen Sende-
oder Empfangsmodulen für Einrichtungen der optischen Nachrichtenübertragung Verwendung
finden.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird die Anordnung derart ausgebildet,
daß die Haltevorrichtung eine Nut zur Aufnahme eines Wandlerträgers aufweist, und
daß die Nut und die Kammer derart angeordnet sind, daß die Achse eines in die Kammer
eingesetzten Lichtwellenleiter-Trägers wenigstens näherungsweise auf das Fenster
eines in der Nut gehalterten Wandlers gerichtet ist. Ausgehend von dieser Ausgangsposition
wird der Lichtwellenleiter justiert.
-
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Anordnung besteht
darin, daß der Lichtwellenleiter-Träger durch die Kammer hindurchgeführt, mit Hilfe
eines Mikromanipulators in bezug auf das Gegenstück positioniert wird und daß daran
anschließend in fixiertem Zustand des Lichtwellenleiter-Trägers die Kammer mit dem
Befestigungsmittel vollständig aufgefüllt wird, das anfangs flüssig ist und später
fest wird. Die Justierung erfolgt dabei so, daß maximale Lichtleistung in den Lichtwellenleiter
oder in das Gegenstück eingekoppelt wird.
-
Vorzugsweise wird der Lichtwellenleiter-Träger nach dem Aushärten
des Befestigungsmittels in seiner Position
belassen, d.h. vorzugsweise
findet, - da nicht erforderlich - keine Nachjustierung statt.
-
Für besondere Fälle kann man die Möglichkeit einer Nachjustierung
dadurch schaffen, daß das Schutzrohr aus der Kammer in Richtung zum Wandler vorsteht.
-
Zweckmäßigerweise wird in diesem Fall der Lichtwellenleiter-Träger
nach dem Aushärten des Befestigungsmittels dadurch nachjustiert, daß ein aus der
Kammer in Richtung zum Wandler vorstehendes Ende des Lichtwellenleiter-Trägers plastisch
verformt wird.
-
Vorzugsweise ist die Befestigungskammer dabei etwa in der Mitte zwischen
dem Wandlerträger und einer Durchführung durch ein Gehäuse angeordnet.
-
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 ein Lasermodul mit einer Anordnung zur optischen
Anpassung eines Lichtwellenleiters an eine Laserdiode und zwar Fig. 1 als Seitenansicht
und Fig. 2 als Draufsicht, Fig. 3 die aneinander anzupassenden Teile, Fig. 4 einen
bereits vor Einfüllen eines Befestigungsmittels im wesentlichen geschlossene Kammer
und Fig. 5 eine Kammer, die erst im gefüllten Zustand mit einem Deckel verschlossen
wird.
-
Fig. 6 und 7 ein Lasermodul, bei dem das Ende eines Lichtwellenleiter-Trägers
aus einer Befestigungskammer hervorsteht, und zwar Fig. 6 als Seitenansicht und
Fig. 7 als Draufsicht.
-
Fig. 1 zeigt ein Lasermodul mit optischer Anpassung eines Lichtwellenleiters
an ein Gegenstück. Der Lichtwellenleiter kann eine Faser aus Glas, Plastik oder
dergleichen sein und ist vorzugsweise durch eine Glasfaser 6, das Gegenstück durch
ein lichtemittierendes Bauelement bzw.
-
eine Laserdiode 5 gebildet. An seiner Stelle kann gegebenenfalls ein
Lichtempfangsbauelement angebracht sein.
-
Die Laserdiode nimmt von Anfang an eine feste Position mit sehr gut
leitendem Wärmeübergang ein und kann elektrisch voll betrieben werden.
-
Die Glasfaser ist mit einem die Glasfaser schützenden und ausrichtenden
Glasfaserträger 8 verstehen, der als steifes Schutzrohr ausgebildet ist. Dieses
Schutzrohr soll möglichst steif sein und besteht daher vorzugsweise aus Metall.
Die Glasfaser ist im Schutzrohr befestigt, wobei wenigstens die in der Figur dargestellte
und an der Stirnseite gelegene Befestigungsstelle 81 vorgesehen ist.
-
An dieser Stelle ist die Glasfaser 6 mit dem Schutzrohr 8 durch eine
Lötverbindung fest und dicht verbunden.
-
Die Glasfaser 6 ist an ihrem Ende in passender Weise verjüngt, d.h.
das Glasfaserende ist mit einem Taper versehen.
-
Die eigentliche Anpassung der Laserdiode an die Anschlußfaser wird
im Lasermodul selbst vorgenommen und zwar dadurch, daß das Schutzrohr 8, in dem
die Glasfaser 6 befestigt ist, zunächst justiert und dann seinerseits befestigt.
-
Das Lasermodul besitzt das Gehäuse 1, das in Fig. 1 mit und in Fig.
2 ohne Deckel 13 gezeigt ist. Das Gehäuse
läßt sich mit Hilfe des
Deckels 13 hermetisch dicht verschließen.
-
Der Boden des Gehäuses 1 trägt das Peltierelement 2, dessen Kalt seit
22 eine primäre Wärmesenke für die Laserdiode 5 bildet und mit seiner Warmseite
21 auf den Boden des Gehäuses 1, das die sekundäre Wäremesenke bildet, aufgesetzt
ist. Das Peltierelement 2 sorgt für die Temperaturstabilität des Aufbaus. Es wird
von einem in der Figur nicht dargestellten Thermistor geregelt.
-
Das Peltierelement 2 ist mit dem Gehäuse 1 fest verbunden. Auf der
Kaltseite 22 befindet sich der gut wärmeleitende und mechanisch möglichst steife
Subträger 3. Der Subträger 3 dient als Halterung für den Chipträger 4 mit der Laserdiode
5 und für den Glasfaserträger 8 mit der Glasfaser 6. Der Subträger 3 besteht aus
gut wärmeleitendem Material, insbesondere Kupfer. Er ist mit einer passenden Nut
31 zur Aufnahme des Diodenträgers 4 versehen.
-
Das konisch verlaufende Glasfaserende 61 - der in Fig. 3 näher gezeigte
Taper - ist linsenförmig ausgebildet. Die Linse 10 wird entsprechend Fig. 3 in drei
Achsen X, Y und Z optimal auf die optisch aktive Stelle des optoelektronischen Bauelements
bzw. auf das Fenster 51 der Laserdiode 5 ausgerichtetet und eingestellt. Die Justierung
des Schutzrohres 8 mit aus dem Rohr herausragenden Taper 61 erfolgt in an sich bekannter
Weise so, daß ein möglichst großer Anteil der von der Diode 5 abgestrahlten Lichtenergie
in die Glasfaser 6, vorzugsweise in den Kern der Monomodefaser eingekoppelt wird.
Dabei wird die optische Kopplung zwischen Bauelement und Glasfaserspitze mit Hilfe
einer an die
tJL Glasfaser angeschlossenen Meßeinrichtung optimiert.
Das Schutzrohr 8 ist in dieser Phase im Raum frei beweglich.
-
Der Einkopplungsvorgang selbst sowie die zeit- und temperaturabhängigen
Lagetoleranzen vom Taper 61 zum Diodenfenster 1 stellen hohe Anforderungen an den
Aufbau des gesamten Lasermoduls. Die Einstelltoleranzen in X-und Richtung sind besonders
klein, wobei Lageänderungen in einer Achse Dejustierungen auch der anderen beiden
Achsen nach sich ziehen.
-
Der Abstand zwischen dem Diodenträger 4 und der Befestigungsstelle
des. Glasfaserträgers 8 bzw. die Länge des Tapers 61 ist möglichst kurz, insbesondere
etwa 1 mm, damit Dejustierungen so klein wie möglich bleiben.
-
Die Befestigungsstelle ist durch die Kammer 7 gebildet, die zusammen
mit dem Subträger 3 eine starre Einheit bildet. Einzelheiten der Kammer 7 sind in
Fig. 4 gezeigt.
-
Die Kammer 7 besitzt zwei Bohrungen 73 und 74, deren Radius um das
Maß des notwendigen Toleranzausgleiches plus des notwendigen Justierweges größer
ist als der Außendurchmesser des Glasfaserträgers 8 und deren Achse möglichst genau
mit der Laserstahlachse übereinstimmt.
-
Auf den Glasfaserträger 8 sind zwei mit einem radial verlaufenden
Schlitz versehene Dichtscheiben 81 und 82 aufgebracht, die vorzugsweise aus Gummi
oder Filz bestehen und die Löcher 73 und 74 abdichten. Sie sind in der Kammer angebracht,
so daß kein Befestigungsmittel in die Öffnungen 73 und 74 mit dem darin gegebenenfalls
exentrisch angeordneten Schutzrohr 8 fließen kann. Die Dichtleiter werden auf das
bereits in der Kammer befindliche Schutzrohr aufgesetzt und an die Seitenwände 71
bzw. 72 dicht herangeschoben.
-
Bei der Justierung wird der Glasfaserträger 7 im Bereich 80, d.h.
im Bereich zwischen Kammer 7 und Gehäuse-Seitenwand 11 von einem in den Figuren
nicht dargestellten piezoelektronischen Mikromanipulator gefaßt und - frei sich
in den Bohrungen 73 und 74 bewegend - mit der geforderten Genauigkeit auf die Laserdiode
5 eingestellt.
-
Dabei wird die Laserdiode betrieben und durch das Peltierelement gekühlt.
Die in die Glasfaser 6 eingekoppelte Lichtleistung wird gemessen.
-
Nach der Positionierung wird der Hohlraum im Innern der Kammer 7 durch
eine der Öffnungen 77, 78 mit einem anfangs flüssigen, später festen Befestigungsmittel
aufgefüllt. Eine der beiden Öffnungen 77, 78 dient der Entlüftung des Hohlraumes.
Das Aushärten des Befestigungsmittels erfolgt vorzugsweise bei der Betriebstemperatur
oder einer höheren Temperatur. Infolge der zentrischen Anordnung des Glasfaserträgers
8 im Hohlraum und der allseitigen Begrenzung des Befestigungsmittels 70 durch metallische
Wände der Kammer 7 ist ein gleichmäßiger Kraftangriff am Glasfaserträger 8 durch
das eventuell schrumpfende Befestigungsmittel 70 gewährleistet, so daß der Glasfaserträger
8 seine eingestellte Lage beibehält.
-
Die etwas exzentrische Lage des Glasfaserträgers 8 in den Bohrungen
71 und 72 nach dem Justieren und die daraus resu ltierenden unterschiedlichen radialen
Kraftwirkungen auf den Glasfaserträger 8 sind vernachlässigbar klein gegenüber den
zentrisch wirkenden Kräften des Befestigungsmittels im großvolumigen Hohlraum.
-
Die in Fig. 5 gezeigte Kammer unterscheidet sich von der nach Fig.
4 lediglich dadurch, daß die Kammer 7 nicht
einstückig ausgebildet
ist, sondern aus einem wannenförmigen Teil 78 und einem Deckel 79 besteht. Der Deckel
79 wird erst nach dem Auffüllen der Kammer 7 mit Befestigungsmittel 7G aufgesetzt.
Beim Aufsetzen tritt überschüssiges Befestigungsmittel durch die Öffnungen 77 und
78 aus. Da in diesem Fall eine Einfüllöffnung im Deckel nicht erforderlich ist,
genügt die eine Öffnung 75.
-
Bei der Herstellung der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnung
wird zweckmäßigerweise wie folgt vorgegangen.
-
Der Lichtwellenleiter-Träger 8 wird durch den Behälter 7 hindurchgeführt
und mit Hilfe eines Mikromanipulators in bezug auf das Gegenstück positioniert.
Daran anschließend wird in fixiertem Zustand des Lichtwellenleiter-Trägers 8 die
Kammer 7 mit einem Befestigungsmittel 70 vollständig aufgefüllt, das anfangs flüssig
ist und später fest wird.
-
Vorzugsweise wird der Lichtwellenleiter-Träger 8 nach dem Aushärten
des Befestigungsmittels 70 in seiner Position belassen, d.h. eine Nachjustierung
kann in der Regel unterbleiben.
-
Schließlich werden die hermetisch dichte Durchführung 12 durch die
Seitenwand 11 fertiggestellt und das Gehäuse 1 mit dem Deckel 13 hermetisch dicht
verschlossen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kammer die folgenden
Abmessungen: Das Schutzrohr hat dabei einen Durchmesser von 1 mm. Die Durchmesser
der Bohrungen 73 und 74 betragen max. 1,8 mm.
-
Der Spalt zwischen Schutzrohr und Seitenwand beträgt
dabei
insbesondere höchstens 0,4 mm. Der Abstand von Kammer 7 zu Laser 5 beträgt etwa
2mm, der Abstand von Kammer 7 zur Durchführung 12 in einer Ausführungsform etwa
2 mm, in einer anderen etwa 10 mm.
-
Die Figuren 6 und 7 zeigen ein Lasermodul, das weitgehend mit dem
nach Fig. 1 und 2 übereinstimmt. Abweichend von dem Beispiel nach Fig. 1 und 2 steht
der Lichtwellenleiter-Träger 8 aus der Befestigungskammer 7 in Richtung zum Wandler
5 so weit hervor, daß eine Nachjustierung durch Verformen derselben möglich ist.
Außerdem ist der Deckel bzw. ein oberer Teil der Kammer 7 so massiv ausgebildet,
daß im Falle einer Nachjustierung ein Greifer an diesem oberen Teil und daher in
der Nähe der Verformungsstelle bzw. Biegekante, die sich vorzugsweise unmittelbar
neben der Kammer 7 befindet, angreifen kann.
-
Bei der Herstellung des Lasermoduls wird zweckmäßigerweise wie folgt
verfahren: Nach der Montage des Peltierkühlers 2 im Gehäuse 1 erfolgt die elektrische
Kontaktierung des Systems, so daß die Laserdiode 5 mit der Kühleinrichtung zu Justierzwecken
voll betrieben werden kann. Jetzt wird die im schützenden Metallröhrchen 8 zentrisch
eingesetzte, an der Stirnseite durch Löten hermetisch abgedichtete und mit einem
Taperschutz versehene Glasfaser in das Gehäuse 1 eingeführt und von einem in Schritten
dreidimensional verstellbaren Greifer umschlossen. Nach der Entfernung des Taperschutzes
wird das Metallröhrchen 8 im als Führung dienenden Greifer unter einer Lupe in die
um mehrere Zehntel mm größeren Bohrungen 73, 74 der Kammer 7 eingeschoben und im
Greifer festgestellt. Dann beginnt die in X-, Y- und Z-Richtung notwendige Positionierung
des
Tapers in der Strahlenkeule der in Betrieb befindlichen Laserdiode, bis die optimale
Einkopplung erreicht ist. In dieser festgestellten Position wird die Befestigungskammer
7 mit einem in Sekunden härtenden UV-Kleber gefüllt und somit das Röhrchen befestigt.
Anstelle des Klebers kann auch vorteilhaft ein niedrig schmelzendes Lot verwendet
werden.
-
Sollte durch den Härte- bzw. Entzerrungsprozeß trotz der festen Halterung
des Röhrchens 8 im Greifer eine nicht zulässige Dejustierung des Tapers 61 auftreten,
ist eine plastische Verformung des überstehenden Endes des Metallröhrchens 8 als
Nachjustierung möglich. Schließlich wird durch eine flußmittelfreie Lötung eine
hermetische Dichtung zwischen Metallröhrchen 8 und dem Gehäuse 1 hergestellt.
-
In einem letzten Arbeitsgang wird das Gehäuse 1 in trockener Schutzgasatmosphäre,
vorzugsweise durch Rollennahtschweißung eines Deckels 13 hermetisch verschlossen.
-
Die dichte Durchführung des Schutzrohres 8 durch die Seitenwand 11
erfolgt in den gezeigten Beispielen unmittelbar, kann jedoch auch mittelbar vorgenommen
werden, wobei die hierfür üblichen Durchführungen Verwendung finden können. Insbesondere
kann eine elastische Ausgleichsmembran Längenänderungen auffangen, die bei den im
Betrieb unterschiedlichen Temperaturen an den Wänden des Gehäuses 1 und am Subträger
5 auftreten.
-
Die mechanische Verbindung zwischen ummantelter Glasfaser und Schutzrohr
kann in üblicher Weise vorgenommen werden und ist daher in den Figuren nicht dargestellt.
-
10 Patentansprüche 7 Figuren