DE3413749C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System aus einem Halbleiterlaser und einer das Laserlicht abbildenden Optik, wobei für den Halbleiterlaser ein Halter vorgesehen ist, der mit der Optik in Verbindung steht, die Optik in einem gesonderten Halter untergebracht ist, der über eine Zentrierstelle eine Glasfaser aufnimmt und so mit dem Halter des Halbleiterlasers zur Bildung des Gesamtsystems zusammengesetzt ist, daß der objektseitige Brennpunkt der Optik an das Halbleiterlaserelement angepaßt ist und zugleich eine Aperturanpassung der Glas­ faser an das Halbleiterlaserelement über die Optik erfolgt.

Ein derartiges optisches System ist aus der DE-OS 27 27 177 bekannt.

Halbleiterlaser emittieren ein stark divergierendes Strahlungsbündel. Zur Nachrichtenübertragung eines mo­ dulierten Halbleiterlasers über ein Glasfaserkabel müs­ sen die Öffnungswinkel von Glasfaser und Halbleiterlaser­ element einander angepaßt werden. Dabei muß die Glas­ faser sehr genau in bezug auf das Halbleiterlaserelement positioniert werden, wobei der Brennpunkt des Halbleiter­ laserelements innerhalb einer Genauigkeit vom Bruchteil eines µm in bezug auf die Optik eingestellt sein muß.

Ein anderes bekanntes optisches System (DE-OS 27 50 322) sieht eine direkte Anpassung der Glasfaser an das Halb­ leiterlaserelement und dessen Brennpunkt vor, wobei durch den sehr eng tolerierten Abstand Glasfaser - Halbleiter­ laserelement, der im Bereich vom Bruchteil eines µm lie­ gen muß, eine hermetische Kapselung des Halbleiterlasers nicht mehr möglich ist. Dadurch, daß auch die Verbin­ dungsstelle geklebt wird, bilden sich, durch die Aushär­ tung des Klebers bedingt, störende Benetzungen auf dem Halbleiterlaserelement.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein optisches System für einen Halbleiterlaser mit einer optimalen Glasfaseranpassung anzugeben, bei dem ein hermetisch gekapseltes Halbleiterlaserelement verwendet werden kann. Dabei soll das Gesamtsystem aus möglichst wenigen Teilen bestehen.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Zur Herstellung des optischen Systems wird die Anpassung und Zusammensetzung der rotationssymmetrischen Halter vorzugsweise dann vorgenommen, wenn der Halbleiterlaser aktiv ist und ein Halter in eine Aufnahmevorrichtung fixiert ist, während der andere Halter in axialer, ver­ tikaler, horizontaler und rotationssymmetrischer Rich­ tung bewegt wird, bis ein Optimum - die Qualität des Halbleiterlaserlichts betreffend - erreicht wird. In diesem justierten Zustand werden dann die beiden Halter fixiert und massenschlüssig miteinander verbunden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsge­ mäßen Anordnung und ihr Herstellungsverfahren ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße optische System mit einer abbilden­ den Optik für einen Halbleiterlaser an eine Glasfaser hat den wesentlichen Vorteil, daß der Halbleiterlaser hermetisch gekapselt ist, daß die Glasfaser nicht ge­ klebt werden muß, wodurch Benetzungen des Halbleiter­ lasers vermieden werden und daß nach erfolgter massen­ schlüssiger Verbindung die Glasfaser leicht durch Ab­ schrauben einer Überwurfmutter von ihrem Halter abge­ zogen werden kann, falls dies erforderlich sein sollte. Außerdem ist diese Art der Anpassung über eine Optik leicht reproduzierbar, was in einer erhöhten Ausbeute­ quote und einem relativ niedrigen Preis zum Ausdruck kommt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt, die die ineinandergefügten rotationssym­ metrischen Halter mit dem Halbleiterlaser, der abbil­ denden Optik und der Glasfaser in einem Längsschnitt durch die Symmetrieachse zeigt.

Das in der Figur dargestellte optische System für einen Halbleiterlaser mit einer Glasfaseranpassung über eine abbildende Optik besteht aus einem ersten rotationssym­ metrischen Halter 1, der eine zentrale Bohrung 17 mit unterschiedlichen Innendurchmessern für die Aufnahme des Halbleiterlasers 3 hat, wobei der Außendurchmesser des Halters 1 etwa doppelt so groß wie sein Innendurch­ messer ist. Durch diese Maßnahme wird eine gute Wärme­ abfuhr erreicht. Der Halbleiterlaser 3 wird mit seiner Bodenplatte 8 auf einen Anschlag 7 der Innenbohrung des Halters 1 gebracht. Die Gehäusekappe 15 des Halbleiter­ lasers 3 ist auf der den Anschlußdrähten 16 des Halb­ leiterlasers abgewandten Seite durch eine planparallele Scheibe 11 hermetisch gekapselt. Der gekapselte Halblei­ terlaser 3 und das in ihm befindliche Halbleiterlaser­ element 6 befinden sich durch die Aufnahme in die Boh­ rung 17 und Anpassung gegen den Anschlag 7 auf der Sym­ metrieachse des Halters 1. Auf der einen Stirnseite des Halters 1, wo die Anschlußdrähte 16 liegen, umfaßt ein rotationssymmetrischer Falz 10 am Halter 1 die Boden­ platte 8 des Halbleiterlasers 3, wodurch an der Stirn­ seite des Halters 1 eine hermetische Kapselung des Halbleiterlasers erreicht wird. Außerdem wird auf diese Weise ein guter wärmeleitender Kontakt des Halbleiter­ lasers 3 über seine Bodenplatte 8 mit dem Halter 1 her­ gestellt. An der Übergangsstelle zwischen dem Anschlag 7 in der zentralen Bohrung 17 des Halters 1 und der Boden­ platte 8 des Halbleiterlasers 3 befindet sich eine Fuge 5, durch die eine Außenkante 18 der Bodenplatte 8 in den dafür vorgesehenen freien Raum in der Fuge 5 hinein­ reicht. Auf diese Weise liegen die Außenflächen 9 der Bodenplatte 8 plan mit gutem Wärmeübergang an den Innnen­ flächen der zentralen Bohrung 17 an.

Auf der Lichtaustrittsseite des Halters 1 ist die zen­ trale Bohrung zur Aufnahme eines weiteren Halters 2, der eine abbildende Optik 14 enthält, vorgesehen. Auf dieser Seite des Halters 1 befindet sich ein rotations­ symmetrischer Anschlag 12, der gegen einen Flansch 13 des zweiten Halters 2 positioniert wird.

Der zweite Halter 2 bildet einen Teil des Außengehäu­ ses, ist ebenfalls rotationssymmetrisch und hat abge­ stufte Innenbohrungen, die sich gegen die dem Laser­ austrittslicht zugewandte Seite zur Aufnahme einer ab­ bildenden Optik 14 vergrößern, wodurch sich eine be­ stimmte Montagefolge für die einzelnen Linsen der ab­ bildenden Optik ergibt.

Die Außendurchmesser des Anschlags 12 des Halters 1 und des Flansches 13 des Halters 2 sind im Ausführungsbei­ spiel gleich groß, so daß sich an einer dafür vorgese­ henen Justagestelle 4 zwischen Flansch 13 und Anschlag 12 eine massenschlüssige Verbindung herstellen läßt.

Auf der dem Laseraustrittslicht abgewandten Seite des Halters 2 verjüngt sich seine Innenbohrung so, daß eine zentrale Aufnahme einer Glasfaser erreicht wird. Dazu ist das dem Flansch 13 abgewandte Ende des Halters 2 auf seiner Innenseite mit einem röhrenförmigen Zylinder als Zentrierstelle 25 für die Aufnahme der Glasfaser 19 mit ihrer Ummantelung 21 vorgesehen. Durch eine Kreuz­ nut 22 ist die Zentrierstelle 25 federnd ausgestaltet. Der Außenteil des dem Flansch 13 abgewandten Endes des Halters 2 ist ebenfalls mit einem röhrenförmigen Zylin­ der 24 abgeschlossen, der an seiner äußeren Oberfläche mit einem Gewinde 26 versehen ist, das zur Aufnahme einer Überwurfmutter 23 dient, durch die die Glasfaser 19 samt Ummantelung 21 in die Zentrierstelle 25 einge­ paßt und festgehalten wird. Dies geschieht durch Posi­ tionieren des Anschlags 20 der Glasfaserummantelung 21 gegen die Stirnseite des röhrenförmigen Zylinders 24.

Zur Aperturanpassung des Öffnungswinkel des Halbleiter­ laserelements 6 an den der Glasfaser 19 über die abbil­ dende Optik 14 muß der objektseitige Brennpunkt F der abbildenden Optik 14 sehr genau mit dem lichtemittier­ enden Halbleiterlaserelement 6 zusammenfallen. Dazu werden nach der Vormontage von Halter 1 mit dem Halb­ leiterlaser 3 und der Vormontage von Halter 2 mit der abbildenden Optik 14 und der befestigten Glasfaser 19 die beiden Halter positioniert, indem ein Halter in einer Spannvorrichtung ortsfest fixiert ist, während der andere Halter in einer beweglichen Haltevorrichtung in seinem Abstand und seiner Drehrichtung variiert wird. Dabei ist der Halbleiterlaser aktiv, und über einen Lichtdetektor, der am freien Ende der Glasfaser angebracht ist, wird das austretende Licht analysiert und in ein analoges elektrisches Signal umgesetzt, das einer Regeleinrichtung zugeführt wird, die feststellt, wann das austretende Licht z. B. maximale Intensität hat. Dabei erfolgt die Optimierung des beweglichen Teils in axialer, horizontaler, vertikaler und rotationssymmetri­ scher Richtung. Es ist dabei zu beachten, daß die Ju­ stage von abbildender Optik 14 und Halbleiterlaserele­ ment 6 mit der Genauigkeit von einem Bruchteil eines µm zu erfolgen hat.

Wenn über die Regeleinrichtung, die z. B. aus 4 Schritt­ motoren und einem digitalen Regelkreis bestehen kann, eine maximale Intensität des analysierten Laserlichts festgestellt wurde, bleiben die beiden Halter zueinander unbeweglich in ihren Haltevorrichtungen. Über einen Laserimpuls werden an der Justagestelle 4 die beiden Halter 1 und 2 miteinander fixiert und anschließend am Gesamtumfang verschweißt. Dadurch wird der Halter 2, der die abbildende Optik 14 und die Glasfaser 19 enthält, mit dem Halter 1, der den Halbleiterlaser 3 enthält, stoffschlüssig verbunden.

Die stoffschlüssige Verbindung an der Justagestelle 4 kann auch mit einem Kleber oder durch ein Lot vorgenom­ men werden.

Die abbildende Optik 14 kann je nach Anforderungen, eine Korrektur der Bildfehler höherer Ordnung der Laserlicht­ quelle und eine Aperturanpassung der Laserlichtquelle an eine Glasfaser bewerkstelligen. Dabei kann der Glas­ faser eine Stufenindex-, Gradienten- oder Monomodefaser sein. Dementsprechend sind die Anforderungen an die ab­ bildende Optik.

Auf der Empfängerseite wird das von der Glasfaser über­ tragene Laserlicht von einem Fotodetektor aufgenommen, der eine Umwandlung von Laserlichtsignal in ein elek­ trisches Signal vornimmt. Dabei muß der Fotodetektor ebenfalls sehr genau in bezug auf die Glasfaser durch eine Apertur- oder Flächenanpassung angepaßt sein. Es ist ohne große konstruktive Änderungen möglich, zu die­ sem Zweck den Halbleiterlaser (3) in der Figur durch einen Fotodetektor zu ersetzen. Als Fotodetektor können Fototransistor, Fotofeldeffekttransistor, Fotodiode oder eine lichtempfindliche monolithisch integrierte Schaltung verwendet werden.

Die Justage und massenschlüssige Verbindung erfolgt da­ bei analog zu der vorhergehend beschriebenen Erfindung gemäß der Figur.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung kann der Halbleiterlaser (3) in der Figur auch durch eine Leuchtdiode zur Signalübertragung ersetzt werden.

Claims (12)

1. Optisches System aus einem Halbleiterlaser (3) und einer das Laserlicht abbildenden Optik (14), wobei für den Halbleiterlaser (3) ein Halter (1) vorgesehen ist, der mit der Optik (14) in Verbindung steht, die Optik (14) in einem gesonderten Halter (2) untergebracht ist, der über eine Zentrierstelle (25) eine Glasfaser (19) aufnimmt und so mit dem Halter (1) des Halbleiterlasers (3) zur Bildung des Gesamtsytems zusammengesetzt ist, daß der objektseitige Brennpunkt (F) der Optik (14) an das Halbleiterlaserelement (6) angepaßt ist und zu­ gleich eine Aperturanpassung der Glasfaser (19) an das Halbleiterlaserelement (6) über die Optik (14) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser herme­ tisch in einem aus Bodenplatte und Gehäusekappe beste­ henden Gehäuse gekapselt ist, daß der Halter für den Halbleiterlaser und der die Optik (14) und die Glas­ faser (19) enthaltenden Halter (2) das Außengehäuse des Gesamtsystems bilden.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halter (1 und 2) rotationssymmetrisch sind.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle der beiden Halter so ausgebildet ist, daß beim Zusammensetzen der beiden Halter vor der mechanischen Fixierung eine gegen­ seitige Justierung durch Verschieben und/oder Verdrehen der Halter gegeneinander vorgenommen werden kann.

4. Optisches System nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halter (1 und 2) an ihrer Justagestelle (4) je einen Anschlag (12), (13) haben, deren Außendurchmesser gleich groß sind.

5. Optisches System nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (8) des Halbleiterlasers (3) so zwischen einen Anschlag (7) und einen die Bodenplatte rotationssymmetrisch um­ fassenden Falz (10) eingefügt ist, daß zwischen Boden­ platte und den Anschlag mitumfassenden Halter des Halb­ leiterlasers (3) ein optimaler Wärmekontakt zustande kommt.

6. Optisches System nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (1) des Halbleiterlasers (3) am Übergang in den Anschlag (7) eine für die Aufnahme der Außenkante (18) der Boden­ platte (8) vorgesehene Nut (5) aufweist.

7. Optisches System nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (1) des Halbleiterlasers (3) zur Verbesserung der Wärmeabfuhr einen durchschnittlichen Außendurchmesser hat, der etwa doppelt so groß ist wie sein Innendurchmesser.

8. Optisches System nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Auf­ nahme der Glasfaser vorgesehene Halter (2) aus einem im wesentlichen röhrenförmigen Zylinder besteht, der an seinem einen Ende die Optik (14) enthält und an seinem anderen, die Zentrierstelle (25) enthaltenden Ende ein Außengewinde (26) zur Aufnahme einer Überwurfmutter (23) hat, durch die die Glasfaser zentriert und gehal­ ten wird.

9. Optisches System nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierstel­ le (25) zur Aufnahme der Glasfaser (19) und ihrer Um­ mantelung (21) durch eine Kreuznut (22) federnd ausge­ staltet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anpassung der beiden Halter (1, 2) durch ein die Qualität des Austrittlichts des Lasers betreffendes Kriterium bestimmt wird und daß, sobald infolge der Justage ein Optimum des betreffenden Kri­ teriums erreicht wird, die beiden Halter fixiert und massenschlüssig an der dafür vorgesehenen Justagestel­ le (4) miteinander verbunden werden.

11. Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ passung und die Zusammensetzung der beiden Halter (1, 2) dann vorgenommen wird, wenn das Halbleiterlaserele­ ment (6) akitv ist und daß ein Halter in einer Auf­ nahmevorrichtung fixiert wird, während der andere Hal­ ter in axialer, horizontaler, vertikaler und rotations­ symmetrischer Richtung bewegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung und massenschlüssige Verbindung der beiden Halter (1) und (2) durch Schweißen, durch Kleben oder Löten vorgenommen wird.