DE3729009A1 - Lichtleitelement, insbesondere fuer lasersender in modulbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitelement, insbesondere für Lasersender in Modulbauweise, nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Es ist seit langem bekannt, daß sich Licht in dünnen Glasfasern durch Totalreflexion auf nahezu beliebig gekrümmten Bahnen lei­ ten läßt. Bis vor einigen Jahren waren allerdings die Lichtver­ luste der verfügbaren Gläser zu hoch, um größere Strecken zu überbrücken. Inzwischen gibt es sogenannte Lichtwellenleiter, insbesondere dünne Fasern aus hochreinem Quarz, die Lichtwellen mit geringen Verlusten über weite Strecken weiterleiten. Bei den damit realisierbaren leistungsfähigen Nachrichtenübertra­ gungssystemen dienen Lumineszenzdioden (LED), vorzugsweise La­ serdioden (LD) als optische Sender und Photodioden, vorzugsweise Halbleiterphotodioden als Empfänger. Von den Lichtwellenleitern werden vor allem gute Lichtführung, geringe Lichtverluste und große Übertragungsbandbreite gefordert. Inzwischen hat der ra­ sche Fortschritt in der Mikroelektronik nicht nur die Massen­ fertigung hochintegrierter elektronischer Bauelemente ermög­ licht, sondern läßt auch die Entwicklung optischer Bauelemente zu, in denen Lichtsignale übertragen, verteilt und verarbeitet werden. Als Substratmaterialien der integrierten Optik können durchsichtige dielektrische Werkstoffe, vor allem Lithiumniobat (LiNbO₃) und Glas, aber auch Halbleitermaterialien, z.B. III-V- Halbleiter, verwendet werden. Bei der integrierten Optik werden Lichtwellenleiter, die nur wenige Mikrometer breit, aber mehrere Zentimeter lang sind, an der Oberfläche der Substratplättchen hergestellt, wobei Photolithographie- und Strukturierungsverfah­ ren der Mikroelektronik angewendet werden. Bei den bekannten elektrooptischen Übertragungssystemen ist der Lichtsender (LD), allerdings nur einseitig an den Lichtwellenleiter angekoppelt. Das bedeutet bei Laserdioden als Sender, daß ein Teil des emittierten Lichtes, nämlich das Rückseitenlicht ungenutzt bleibt oder aber für andere Zwecke, wie z.B. Überwachung, elek­ trische Regelung und Ansteuerung der Laserdiode genutzt wird.

Zur effizienten Einkopplung des von einem Halbleiterlaser abge­ strahlten Laserlichtes in einen Lichtwellenleiter ist es weite­ terhin bekannt, als Hilfsmittel einen Fasertaper zu verwenden. Eine effiziente Kopplung des Laserlichts in den Lichtwellenlei­ ter ist eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung opti­ scher Übertragungsstrecken. Der große Öffnungswinkel des Laser­ strahls begrenzt in der Regel den Einkoppelwirkungsgrad. Durch die Verwendung eines zwischen der Faser und dem Laser angeord­ neten Taper und einer zwischen dem Taper und dem Laser angeord­ neten sphärischen Linse läßt sich eine sehr effiziente Kopplung erreichen. Der Taper wird dabei so angeordnet, daß er sich zum Laser hin verjüngt. Allerdings sind derartige Hilfsmittel rela­ tiv aufwendig, vor allem im Hinblick auf den Zusammenbau und die damit verbundene Justage, insbesondere dann, wenn als wei­ teres Hilfsmittel noch eine Linse, z.B. Kugellinse, zur exakten Lichteinkopplung benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optimale Einkopp­ lung von Licht einer Laserdiode in einen Lichtwellenleiter zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Lichtleitelement der eingangs ge­ nannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Lichtleitelement wird das Licht von beiden Laserspiegeln in das Element eingekoppelt, das sich im Lichtweg zwischen der Laserdiode und dem Lichtwellenleiter be­ findet. Hieraus resultiert die maximale Lichteinkopplung.

Bei einem solchen Lichtleitelement ergeben sich verschiedene Möglichkeiten der Formgebung, Materialverwendung und Lichtbeein­ flussung: Beispielsweise kann das Licht aus beiden Laserspiegeln einer Laserdiode in eine Faser eingekoppelt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung läßt sich das Licht in dem Lichtleitelement zur Einkopplung aufbereiten, z.B. durch Korrektur des Astigmatismus, die sonst in herkömmlicher Weise mit Zylinderlinsen oder einer komplizierten, in die Reflexions­ stellen des Lichtes integrierten Optik vorgenommen werden müßte; oder Korrektur des Fernfeldes einer Laserdiode. Weiterhin kann auf ein Lichtwellenleiter-Taper als zusätzliches Hilfsmittel zur Lichteinkopplung verzichtet werden. Daraus resultiert eine Verbilligung des Lichtwellenleiters und eine höhere Lichteinkopp­ lung. Außerdem läßt sich eine Monitordiode leicht integrieren, indem entweder photoempfindliches Material an der entsprechenden Stelle auf das Lichtleitelement aufgedampft oder die Monitordio­ de an der betreffenden Stelle z.B. aufgeklebt wird. Schließlich ist auch eine Modulationsmöglichkeit des Lichtes gegeben, indem man als Material für das Lichtleitelement z.B. Lithiumniobat (LiNbO₃) verwendet und eine Brechungsindexänderung im Material durch eine Spannungsänderung von außen (durch Außenelektroden) bewirkt.

Auch die verwendbaren Materialien und Herstellverfahren sind vielfältig. Beispielsweise kann das Lichtleitelement aus Glas bzw. Quarz, dotiert oder undotiert hergestellt werden. Auch eine Herstellung aus Kunststoffen, z.B. auf photochemischem Weg ist möglich. Vorzugsweise läßt sich das Lichtleitelement mit den Methoden der integrierten Optik herstellen, und zwar unter Zuhilfenahme der eingangs erwähnten Photolithographie- und Strukturierverfahren der Mikroelektronik.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Lichtleitelements besteht insbesondere darin, daß durch die - in der Hauptlicht­ ausbreitungsrichtung der Einzelelemente gesehene - Anordnung der Laserdiode quer zum Lichtleitelement und anschließendem Lichtwellenleiter, die eingekoppelte Lichtmenge - bedingt durch die daraus resultierende beidseitige Lichteinkopplung - ver­ doppelt ist.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung rein schematisch darge­ stellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Lichtleitelements für Lasersender in Modulbauweise wird die Erfindung weiter erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Lichtleitelement im Schnitt und

Fig. 2 das Lichtleitelement nach Fig. 1 in Draufsicht.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lichtleitelement für La­ sersender in Modulbauweise besteht im wesentlichen aus dem Licht­ leitelement 1, das lichteingangsseitig in zwei symmetrische Teile aufgezweigt und so abgewinkelt ist, daß zwei einander zugewandte Lichteintrittsflächen 2, 3 gebildet sind, die den beiden planparal­ lelen, als optischer Resonator wirksamen Lichtaustrittsflächen der Laserdiode 4 gegenüberstehen. Am Lichtausgang 5 ist das Lichtleit­ element 1 im Querschnitt - in diesem Beispiel durch eine Verjün­ gung - an den optisch zu koppelnden Lichtwellenleiter 9 angepaßt. Das Lichtleitelement 1 besteht beispielsweise aus einer auf dem Trägerplättchen 6 aufgebrachten Glasfaser oder aus einer Substrat­ bahn aus Halbleitermaterial. Das Trägerplättchen 6 besteht aus Me­ tall oder Keramik. Es kann aber auch aus Halbleitermaterial beste­ hen. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung von Halbleitermate­ rial für das Trägerplättchen 6 dann, wenn es nicht nur als Boden­ platte für das Lichtleitelement 1 dient, sondern gleichzeitig das Grundmaterial für die einzubringende Substratbahn bildet. Für den Fall, daß das Trägerplättchen 6 aus Halbleitersubstrat besteht und das Lichtleitelement 1 sowie vorzugsweise auch die Laserdiode 4 mit den Methoden der integrierten Optik in das Halbleitersub­ strat eingebracht sind, ist es besonders zweckmäßig, für das Licht­ leitelement 1 das gleiche Halbleitermaterial, z.B. Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP), wie für die Laserdiode 4 selbst zu verwenden. Die Laserdiode 4 kann aber mit besonderem Vorteil auch auf einem Silizium-Chip als Substratträger 6 aufgebracht sein. Entscheidend für die zu treffende Materialauswahl für das Lichtleitelement 1 ist eine optimale Anpassung an die Wellenlänge des von der Laserdiode 4 emittierten Lichtes. Hinzu kommen noch Anforderungen an die Dicke des Trägerplättchens 6, die im Hinblick auf die daraus resultierenden Verluste möglichst gering sein sollte.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lichtleitelement 1 wird vorzugsweise für Lasersender in Modulbauweise verwendet. Ein derartiger Lasersender ist an sich bekannt und in der Zeit­ schrift "Siemens telcom report 6", Beiheft April 1983, Seiten 90 bis 96 näher beschrieben. Das Lichtleitelement 1 mit den daran angebrachten Monitordioden 7, 8 und der Laserdiode 4 ist auf einem Trägerplättchen 6 aufgebracht. Das Lichtleitelement 1 ist von einem hermetisch dichten Gehäuse 10 umgeben. Das Gehäu­ se 10 kann verschieden ausgeführt sein und z.B. aus Metall, aber auch aus Keramik oder Kunststoff bestehen. Das Lichtleit­ element 1 ist an die in einer Halterung 15 geführte Anschlußfa­ ser (pig tail) für einen Lichtwellenleiter 9 optisch angekop­ pelt, der in eine Führungshülse 11 aus z.B. Metall oder Kunst­ stoff eingeglast, eingelötet bzw. eingeklebt nach außen geführt ist. Das Trägerplättchen 6 ist innerhalb des Gehäuses 10 an einem Peltier-Kühler 12 befestigt, der mit einer äußeren Wärme­ senke 13 in Verbindung steht. Die elektrischen Anschlüsse 14 der aktiven Bauelemente 4, 7, 8, 12 sind hermetisch dicht und elektrisch isoliert durch das Gehäuse 10 nach außen geführt.

Die Erfindung ist auf das dargestellte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt. Insbesondere kann der Lichtausgang 5 des Lichtleitelementes 1 so angeordnet und gestaltet sein, daß das Licht möglichst parallel oder unter einem definierten Winkel durch ein im hermetisch dichten Gehäuse 10 vorgesehenes Fenster ohne Anschlußfaser (pig tail) für den Lichtwellenleiter 9 aus dem Gehäuse 10 austritt.

Claims (8)

1. Lichtleitelement, insbesondere für Lasersender in Modulbau­ weise, in Form einer auf einem Trägerplättchen aufgebrachten länglichen, einen Lichteingang und einen Lichtausgang aufwei­ senden Faser oder Substratbahn aus einem die Lichtstrahlen mit geringen Verlusten im Inneren durch Reflexion weiterleitenden Medium mit einer entsprechend höheren Brechzahl als die des an­ grenzenden Mediums, zur optischen Kopplung einer Laserdiode an einen Lichtwellenleiter, dadurch gekennzeich­ net, daß das Lichtleitelement (1) lichteingangsseitig in zwei symmetrische Teile aufgezweigt und so gekrümmt oder abge­ winkelt ist, daß zwei einander zugewandte Lichteintrittsflächen (2, 3) gebildet sind, die den beiden planparallelen, als opti­ scher Resonator wirksamen Lichtaustrittsflächen der Laserdiode (4) gegenüberstehen, und daß das Lichtleitelement (1) am Licht­ ausgang (5) optisch an den zu koppelnden Lichtwellenleiter (9) angepaßt ist.

2. Lichtleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lichtleitelement (1) am Lichtausgang (5) eine Querschnittsverjüngung aufweist.

3. Lichtleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleitelement (1) aus dotiertem oder undotiertem Quarz oder Glas besteht.

4. Lichtleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägerplätt­ chen (6) aus Metall, Keramik oder Halbleitersubstrat besteht.

5. Lichtleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerplättchen (6) aus Halbleitersubstrat besteht, und daß das Lichtleitelement (1) und die Laserdiode (4) mit den Methoden der integrierten Optik in das Halbleitersubstrat eingebracht sind.

6. Lichtleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß außen am Licht­ leitelement (1) gegenüber dessen Lichteintrittsflächen (2, 3) bzw. den Lichtaustrittsflächen der Laserdiode (4) wenigstens eine Monitordiode (7, 8) vorgesehen ist.

7. Lichtleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß am Lichtleit­ element (1) eine elektronische Steuervorichtung zur Modulation des Lichtes vorgesehen ist.

8. Lichtleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen Lasersender in Modulbauweise, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lichtleitelement (1) mit mindestens einer daran angebrachten Monitordiode (7; 8) und einer Laserdio­ de (4) auf einem Trägerplättchen (6) aufgebracht ist, daß das Lichtleitelement (1) von einem hermetisch dichten Gehäuse (10) umgeben an die Anschlußfaser eines Lichtwellenleiters (9) op­ tisch angekoppelt ist, die durch das Gehäuse (10) in eine Füh­ rungshülse (11) eingeglast oder eingelötet nach außen geführt ist, daß das Trägerplättchen (6) innerhalb des Gehäuses (10) an einem Peltier-Kühler (12) angebracht ist, der mit einer äußeren Wärmesenke (13) in Verbindung steht, und daß die elektrischen Anschlüsse (14) der aktiven Bauelemente (4, 7, 8, 12) herme­ tisch dicht und elektrisch isoliert durch das Gehäuse (10) nach außen geführt sind.