DE3830119A1

DE3830119A1 - Optische koppelvorrichtung

Info

Publication number: DE3830119A1
Application number: DE19883830119
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Schmid
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1988-09-05
Publication date: 1990-03-15

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Koppelvorrichtung, wie sie in Lasermodulen zur Kopplung des Laserlichtes in eine Glasfaser oder zur Kopplung von Licht zwischen zwei Wellenleitern benutzt wird.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP-A2-01 43 739 sind eine optische Koppelvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Koppelvorrichtung bekannt. Bei der bekannten Koppelvorrichtung befindet sich ein Halbleiterlaser, dessen Licht in eine Glasfaser eingekoppelt werden soll, auf einem Wärmesenkenblock, der starr mit einem Halteklotz verbunden ist. Der Halteklotz hält eine Glasfaser, in die das Laserlicht eingekoppelt werden soll. Die Glasfaser, eine Monomodefaser, ist mit einer transparenten Kunstharzmasse an den Halbleiter-Laser geklebt. Diese Kunstharzmasse fixiert die Lage der Glasfaser gegenüber dem Laser und dient gleichzeitig als optisches Koppelmedium. Als Kunstharzmasse dient Oligoacrylat. Die Glasfaser wird auf dem Halteklotz ebenfalls mit der Kunstharzmasse fixiert.

Die bekannte optische Koppelvorrichtung hat den Nachteil, daß der Koppelwirkungsgrad klein ist. Außerdem können Zugbeanspruchungen der Glasfaser oder auch Temperatureinflüsse Verschiebungen der Faser gegenüber dem Laser hervorrufen, wobei auch ein Bruch der Faser oder ein Spalt zwischen Laser und Faser auftreten kann, was starke Auswirkungen auf den Koppelwirkungsgrad hat. Bei der Herstellung einer solchen Kopplung läuft die Faser während des Aushärtens der Kunstharzmasse weg, was bei engen Justiertoleranzen ein Abnehmen des Koppelwirkungsgrades bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Koppelvorrichtung mit einem gegen äußere Einflüsse relativ unempfindlichen Koppelwirkungsgrad zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung mit der Merkmalskombination des Hauptanspruches. Die Unteransprüche enthalten Weiterbildungen und Ausgestaltungen der optischen Koppelvorrichtung.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, mit einfachen Mitteln das vom Halbleiterlaser emittierte Licht in eine Glasfaser zu koppeln. Dies wird dadurch erreicht, daß eine asphärisch geformte plankonvexe Linse direkt auf den Laser aufgesetzt wird, wobei sich die plane Fläche unmittelbar am Laser befindet. Die Linse bildet die Lichtaustrittsfläche des Lasers auf die Stirnfläche der Glasfaser ab. Die direkt auf dem Laser aufgesetzte - geklebt oder in anderer Weise an der Halterung des Lasers befestigte - Linse vereinfacht außerdem den Justiervorgang, da die Justiertoleranzen größer sind als bei optischen Koppelvorrichtungen, bei denen das Ende der Glasfaser zur Linse umgearbeitet ist oder bei denen gar keine Linse benutzt wird. Die asphärische, plankonvexe Linse läßt sich auch zur Kopplung zweier Wellenleiter gleichen oder unterschiedlichen Querschnitts verwenden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß als asphärische Linse eine aus Plexiglas oder Glas gepreßte Linse benutzt werden kann. Aus Plexiglas oder Glas gepreßte Linsen sind erheblich preiswerter als geschliffene Linsen. Wird die Linse aus einem bezüglich der Polarisation des Lichtes nicht reziproken Material gefertigt, beispielsweise Yttrium-Eisen-Granat (YIG), kann auf recht einfache Weise eine von der Faser ausgehende Rückwirkung auf den Laser vermindert werden. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen 1 bis 6 dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a eine Anordnung von Laser, Linse und Glasfaser in einem Sendemodul,

Fig. 1b eine Anordnung zweier Wellenleiter unterschiedlichen Querschnitts,

Fig. 1c eine Anordnung zweier Wellenleiter gleichen Querschnitts,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Linse mit geometrischen Abmessungen,

Fig. 3 den Einfluß des radialen Versatzes von Laser und Faser,

- für eine Linse am Ende der Glasfaser
- für die direkt am Laser angeklebte Linse,

Fig. 4 eine Linse mit Halterung,

Fig. 5 einen Sendemodul, bei dem eine aus YIG gefertigte Linse benutzt wird,

Fig. 6 verschiedene Möglichkeiten zum Entspiegeln des Faserendes

a) Entspiegelungsschicht auf dem Faserende;
b) angeschrägtes Faserende;
c) Keil am Faserende;
d) planparallele Platte am Faserende;

Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch einen Sendemodul, in dem nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente enthalten sind. Mit 10 ist eine asphärisch geformte Linse bezeichnet, die das aus einem Laserchip 11 austretende Licht auf das Ende einer mit 12 bezeichneten Lichtleitfaser abbildet. Die Lichtleitfaser ist auf mit 15 bezeichneten Modulgehäuses festverbunden ist. Ebenfalls mit dem Boden des Modulgehäuses verbunden ist ein Halteelement 14 - auch als Submount bezeichnet - auf dem der Laserchip 11 befestigt ist. Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Stelle, an der das vom Laser erzeugte Licht in die Linse 10 eindringt. Ein mit 16 bezeichneter Kreis kennzeichnet den Krümmungsradius der Linse 10.

Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, das von einem Laser erzeugte Licht in eine Glasfaser einzukoppeln, ist hier die Linse 10 unmittelbar am Laserchip befestigt. Dabei kann die Linse mit Hilfe eines Klebstoffes auf den Laserchip geklebt sein, kann aber auch am Trägerelement 14 befestigt werden. Um Reflexionen von der planen, dem Laser zugewandten Linsenfläche zu vermeiden, muß der Brechungsindex des verwendeten Klebstoffes ungefähr gleich dem Brechungsindex des Linsenmaterials sein. Bei einer Befestigung der Linse an Trägerelement 14 ist es unter Umständen erforderlich, zwischen Linse und Laser ein Material einzubringen, das zur Vermeidung von Reflexionen denselben oder nahezu gleichen Brechungsindex wie das Linsenmaterial besitzt. Der Abstand zwischen Linse und Ende der Glasfaser wird durch das Abbildungsverhältnis und die Linsegröße bestimmt. Das Abbildungsverhältnis ist der Quotient aus den Fleckgrößen von Laser und Faser bzw. beider Wellenleiter.

In Fig. 1b ist die Kopplung zweier Wellenleiter aneinander dargestellt. Hier wie im folgenden gilt, daß gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente bezeichnen. Auf dem mit 15 bezeichneten Modulgehäuse befinden sich der Halteklotz 13 und das Halteelement 14. Auf dem Halteklotz 13 ist ein mit 18 bezeichneter Wellenleiter angebracht, auf dem Halteelement 14 ein mit 19 bezeichneter Wellenleiter. Die Wellenleiter können sowohl Lichtleitfasern als auch integriert optische Wellenleiter sein. Der Querschnitt des Wellenleiters 18 ist kleiner als der des Wellenleiters 19. Am Wellenleiter 18, also am Wellenleiter mit dem kleineren Querschnitt, ist die asphärische Linse 10 angebracht, die das aus dem Wellenleiter austretende Licht auf den Wellenleiter 19 abbildet. Fig. 1c zeigt eine weitere Möglichkeit der Verwendung der asphärischen Linse 10. Hier soll Licht von einem der beiden Wellenleiter 20 in den anderen gekoppelt werden. Die Wellenleiter haben gleichen Querschnitt. An jedem Wellenleiter ist je eine asphärische Linse 10 angebracht.

In Fig. 2 ist ein spezielles Ausführungsbeispiel für die Linse 10 gegeben. Bei einem Brechungsindex des Linsenmaterials von 1,447, einem Verhältnis der Fleckgrößen von Laser und Faser von 0,149, einer Linsenlänge von 1000 um und einem Krümmungsradius der Linse von 269 um ergibt sich ein optimaler Abstand von Faser und Linse von 4630 um. Die geometrischen Abmessungen der Linse werden aus Fig. 2 entnommen.

Wie bereits erwähnt, läßt sich ein Sendemodul mit direkt am Laser befestigter Linse einfacher justieren als andere Laserfaserkopplungen. Fig. 3 zeigt den relativen Koppelwirkungsgrad in Abhängigkeit von radialen Versatz zwischen Lichtaustrittsfläche am Laser und Faserachse. Die mit 30 bezeichnete Kurve gibt die Abhängigkeit des Koppelwirkungsgrades vom radialen Versatz für eine Anordnung wieder, bei der eine asphärishe Linse direkt am Laser befestigt ist. Für einen Versatz von 2 um (+ oder -; Bezugszeichen 33) verringert sich der Koppelwirkungsgrad um 1 dB (Bezugszeichen 32). Bei einer Laser-Faserkopplung mit einem zur Linse umgearbeiteten Faserende führt ein radialer Versatz von 2 um zu einem relativen Koppelwirkungsgrad von 0. Dies geht aus der mit 31 bezeichneten Kurve in Fig. 3 hervor. Eine Absenkung des Koppelwirkungsgrades um 1 dB wird bereits bei einem radialen Versatz von 0,5 um erreicht (Bezugszeichen 34). Die Kurven 30 und 31 zeigen damit deutlich, daß eine Laser-Glasfaser-Kopplung, bei der eine asphärisch geformte Linse direkt am Laser angebracht wird, erheblich einfacher zu justieren ist.

In Fig. 4 ist mit 40 ein anderes Ausführungsbeispiel für die asphärische Linse bezeichnet. Der eigentliche Linsenkörper bildet mit zwei Halteelementen, hier mit 41 und 42 bezeichnet, eine Einheit. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt darin, daß diese Linse sehr einfach zu handhaben ist. Die Linsen nach Fig. 1 und 2 und auch die Linse nach Fig. 4 können aus Kunststoff, beispielsweise Plexiglas oder auch aus Preßglas bestehen. Ihre Herstellung ist damit einfach und kostengünstig. Es sei noch angemerkt, daß es für eine optimale Auskopplung des Laserlichtes wesentlich ist, daß Wellenleiter des Laserchip und Linse zentrisch zu einander positioniert sind.

Mit Hilfe der direkt am Laser angebrachten asphärischen Linse läßt sich auch ein Lasermodul mit integriertem optischen Isolator herstellen. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 5 wiedergegeben. 15 bezeichnet, wie bereits in Fig. 1, den Boden des Lasermodulgehäuses. Auf dem Trägerelement 14 ist der Laserchip 11 befestigt, an den eine mit 50 bezeichnete asphärische Linse aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) geklebt ist. Die Linse ist von einem Magneten 52 umgeben, dessen Feld die Linse in Längsrichtung durchsetzt. Vor der mit 12 bezeichneten Glasfaser befindet sich ein mit 51 bezeichneter Analysator. Yttrium-Eisen-Granat hat die Eigenschaft, bezüglich der Polarisation nicht reziprok zu sein (Faraday-Rotator). Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, daß das Licht vom Laser über die Linse zwar in die Faser eingestrahlt wird, daß aber die von der Faser oder Faserstrecke ausgehenden Rückstreuungen nicht wieder in den Laser gelangen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der optische Weg des Lichtes durch die Linse für alle Abstrahlwinkel nahezu gleich ist, so daß dadurch für alle Abstrahlwinkel dieselben Polarisationsdrehungen zu erwarten sind. Dies ergibt einen hohen Wirkungsgrad des optischen Isolators. Außerdem tritt keine sphärische Aberration wie bei Kugellinsen auf.

Bei der Kopplung von Laserlicht in eine Glasfaser oder von Licht eines Wellenleiters in einen anderen Wellenleiter ist darauf zu achten, daß keine oder nur vernachlässigbar wenig Lichtleistung zurück in die aktive Zone des Lasers oder in den Licht emittierenden Wellenleiter fällt.

Fig. 6 zeigt verschiedene Möglichkeiten zur Vermeidung störender Reflexionen vom Faserende. Mit 12 ist wie bereits in den Fig. 1 bis 5, die Glasfaser bezeichnet. Die einfachste Lösung, dargestellt in Fig. 6a), besteht darin, auf dem Faserende eine Entspiegelungsschicht, hier mit 60 bezeichnet anzubringen. Der Lichteinfall, hier mit 61 bezeichnet, ist dabei senkrecht zur Faserendfläche. Fig. 6b zeigt eine Lösung, bei der die Faserendfläche schräg angeschliffen und die Faserachse gegenüber der Lichteinfallsrichtung 61 geneigt ist. Das unter dem Winkel Alpha (α) bezüglich der Normalen der Faserendfläche einfallende Licht wird um den Winkel - abgelenkt, wobei Beta (β) den Brechungswinkel darstellt. Die Normale der Faserendfläche schließt mit der Faserachse den Winkel β ein. Eine dritte Möglichkeit zur Vermeidung von den Laser störenden Reflexionen zeigt

Fig. 6c), in der einmal ein prismenförmiger Keil 62 auf das nicht angeschrägte Faserende aufgesetzt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen prismenförmigen Keil 63 auf ein angeschrägtes Faserende zu setzen. Fig. 6d) zeigt eine letzte Möglichkeit. Hierbei wird an das Faserende eine planparallele Glasplatte 64 gesetzt. Die Deckflächen der Glasplatte und des Faserendes stehen senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtes 61. Eine weitere Maßnahme zur Reflexionsunterdrückung besteht darin, die asphärische Linse (Bezugszeichen 10 in Fig. 1, Bezugszeichen 40 in Fig. 4 und Bezugszeichen 50 in Fig. 5) auf ihrer gekrümmten Seite ganz oder teilweise mit einer Entspiegelungsschicht zu versehen.

Claims

1. Optische Koppelvorrichtung, bei der Licht aus einem ersten Element ausgekoppelt und in ein zweites Element eingekoppelt wird, gekennzeichnet durch eine direkt am ersten Element angebrachte Linse.

2. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse asphärisch und plankonvex ist.

3. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse mit ihrer planen Seite zum ersten Element zeigt.

4. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element ein Halbleiterlaser und das zweite Element eine Lichtleitfaser oder ein Wellenleiter ist.

5. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Element Wellenleiter unterschiedlichen Querschnittes sind, wobei das erste Element den kleineren Querschnitt hat.

6. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Element Wellenleiter gleichen Querschnitts sind.

7. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum ersten Element auch das zweite Element mit einer asphärischen Linse versehen ist.

8. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine aus Kunststoff gepreßte Linse.

9. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine aus Glas geschliffene oder aus Glas gepreßte Linse.

10. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse mit ihrer planen Seite an das erste Element angeklebt ist.

11. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse an einem Trägerelement (Submount) befestigt ist.

12. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindizes von Linsenmaterial und Klebstoff nahezu gleich sind.

13. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine transparente Füllung zwischen erstem Element und Linse befindet, deren Brechungsindex dem der Linse entspricht.

14. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element an seiner Endfläche entspiegelt ist.

15. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element an seinem Ende mit einem Schrägschliff versehen ist.

16. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des zweiten Elementes einen transparenten Keil trägt.

17. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse an ihrer konvexen Seite entspiegelt ist.

18. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse mit einem Halteelement versehen ist.

19. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Linse und Halteelement eine Einheit bilden.

20. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus optisch nicht reziprokem Material gefertigt ist.

21. Optische Koppelvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) besteht.