DE3902579A1 - Optischer koppler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Koppler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieser Koppler ermöglicht einen Hochfrequenzbetrieb und koppelt die von einem lichtemittierenden Halbleiterelement ausgesandten, für eine optische Übertragung verwendeten Strahlen mit einer optischen Faser oder umgekehrt.

Im folgenden wird ein optischer Koppler mit einem Halbleiter-Laser-Element als halbleitendem optischem Element beschrieben.

Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines bekannten optischen Kopplers. Ein Halb­ leiter-Laser-Element 1 und eine Linse 2 werden von einem metallischen Träger 3 getragen, der über ein elektronisches Kühlelement 4 in einem luftdichten Gefäß 5 befestigt ist. Eine elektrische Verdrahtung zum Betreiben des Elements 1 besteht aus Eingangsanschlüssen (A) 6 a und (B) 6 b und dünnen Golddrähten (A) 7 a und (B) 7 b. Die elektrische Verdrahtung des Eingangsanschlusses 6 b wird ergänzt durch den Träger 3 und das Gefäß 5. Der andere Eingangsanschluß 6 a ist durch isolierendes Glasmaterial 8 gegenüber dem Gefäß 5 elektrisch isoliert. Vom Element 1 ausgehende Strahlen 9 werden durch die Linse 2 gebündelt und verlassen das Gefäß 5 durch ein Fenster 10, das am Gefäß 5 mittels niedrig­ schmelzendem Glasmaterial 11 angebracht ist.

Der so ausgebildete optische Koppler 12 wird normalerweise in Verbindung mit einer optischen Faser 13 verwendet, die in ihrer Lage so ausge­ richtet ist, daß die vom Element 1 ausgesandten Strahlen 9 in die Faser 13 eintreten. Weiterhin wird die optische Faser 13 über einen Halter 14 am optischen Koppler 12 befestigt. Das elek­ tronische Kühlelement 4 ist so ausgestaltet, daß eine Temperaturdifferenz zwischen seiner dem Träger 3 berührenden oberen Oberfläche und seiner das Gefäß 5 berührenden unteren Ober­ fläche auftritt. In dieser Anordnung hat das Kühlelement 4 ein solches Kühlvermögen, daß die Temperatur des Trägers 3 und des Elements 1 trotz etwaiger Schwankungen der Temperatur des Gefäßes 5 konstant gehalten werden kann.

Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild des optischen Kopplers nach Fig. 4. Hierbei sind der Eingangsanschluß 6 a und das Element 1 über eine Induktivität (L _A ) 15 des dünnen Golddrahts (A) 7 a miteinander verbunden.

Die Induktivität (L _B ) 16 des dünnen Goldrahmens 7 b und die Kapazität (C _P) 17 sind zwischen dem Eingangsanschluß 6 b und dem Element 1 parallelgeschaltet. Der Ersatzschaltkreis nach Fig. 5 ist ein Filterkreis, in dem die Induktivität (L _B ) 16 und die Kapazität (C _P ) 17 zusammen eine parallele Resonanz bei der Frequenz

hohe Impedanz ergibt. Daher ist der bekannte optische Koppler insofern nachteilig, als die Amplitude und die Phase des zum Element 1 übertragenen Signals in der Nähe der Resonanz­ frequenz f _r großen Veränderungen unterworfen sind und damit eine getreue Übertragung des Signals verhindert wird.

Um diesen Nachteil zu verhindern, könnten die Induktivität (L _B ) 16 oder Kapazität (C _P ) 17 reduziert werden, wodurch der Frequenzbereich, bei dem der Effekt des vorbeschriebenen Filter­ kreises zum größten Teil auftritt, angehoben wird, so daß dieser Effekt in einem im allgemeinen in der Fernmeldetechnik benutzten Frequenz­ bereich nicht so stark auftritt. Jedoch ist die Kapazität (C _P ) 17 dem elektronischen Kühlelement 4 inhärent und kann daher nicht verringert werden. Die Induktivität (L _B ) 16 könnte durch Verkürzung der Länge oder Vergrößerung des Durchmessers des Drahtes 7 b verringert werden. Jedoch ist jede dieser Maßnahmen dadurch nachteilig, daß sie den Wärmefluß vom Gefäß 5 zum Träger 3 erhöht und dadurch das Kühlvermögen des elektro­ nischen Kühlelements 4 verschlechtert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, einen optischen Koppler anzugeben, der die Wirkung der Kapazität des elektronischen Kühlelementes eliminiert und dadurch einen Betrieb bei hohen Frequenzen ermöglicht, ohne daß das Kühlvermögen des Kühlelements beein­ trächtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Eine vorteilhafte Ausge­ staltung des erfindungsgemäßen optischen Kopplers ergibt sich aus Unteranspruch 2.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die dem Element 1 zugewandte Seite des elektronischen Kühlelements und der Eingangsanschluß über eine Übertragungsleitung miteinander verbunden, deren elektrischer Ersatzstromkreis durch eine Schaltung mit verteilten Konstanten, wie eine Koaxialleitung oder Band- bzw. Streifenleitung, dargestellt werden kann.

In dieser Ausbildung ist die Wirkung der Kapazität des elektronischen Kühlelements vernachlässigbar klein und hat keine unerwünschte Resonanz zur Folge. Somit ist ein Hochfrequenzbetrieb des Elements 1 möglich. Da weiterhin die Wärmeleitung der Übertragungsleitung gering ist, ist die Abnahme des Kühlvermögens des elektronischen Kühlelements vernachlässigbar klein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung eines optischen Kopplers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 und 3 ein vereinfachtes Ersatzschalt­ bild des optischen Kopplers nach Fig. 1,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Darstellung eines bekannten optischen Kopplers, und

Fig. 5 ein vereinfachtes Ersatzschalt­ bild des optischen Kopplers nach Fig. 4.

Der optische Koppler nach Fig. 1 enthält ebenfalls ein Halbleiter-Laser-Element 1, eine Linse 2, einen metallischen Träger 3, ein elektronisches Kühlelement 4 und ein luftdichtes Gefäß 5. Eingangsanschlüsse (A) 6 a und (B) 6 b empfangen die elektrischen Signale zum Betreiben des Elements 1. Weiterhin sind ein dünner Golddraht (A) 7 a, isolierendes Glasmaterial 8 zur gegen­ seitigen Isolierung der Eingangsanschlüsse 6 a und 6 b, vom Element 1 ausgehende Strahlen 9, ein Fenster 10 für die Strahlen 9, ein Glasmaterial 11 zum Abdichten des Spaltes zwischen dem Fenster 10 und dem Gefäß 5, sowie eine miniaturisierte Streifenleitung 18 als Leitung mit verteilten Konstanten gezeigt.

In der miniaturisierten Streifenleitung 18 ist ein dielektrisches Keramikmaterial (Substratmaterial) 19 vorgesehen, auf dessen beiden Seiten ein Muster eines dünnen Goldfilms von mehreren µm Dicke aufgebracht ist. Weiterhin ist das obere Goldmuster 20 mit dem Eingangsanschluß 6 a und dem Draht 7 a verbunden, während das untere Goldmuster 21 mit dem Eingangsanschluß 6 b und dem Träger 3 verbunden ist.

Fig. 2 enthält ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild des optischen Kopplers nach Fig. 1. Gezeigt sind die Induktivität (L _A ) 15 des Drahts 7 a und die Kapazität (C _P ) des elektronischen Kühlelements 4. Die Induktivität 15 und das obere Goldmuster 20 der Streifen­ leitung 18 sind in Reihe miteinander zwischen das Element 1 und den Eingangsanschluß 6 a geschaltet, während die Kapazität 17 und das untere Goldmuster 21 der Streifenleitung 18 parallel zueinander zwischen das Element 1 und den Eingangsanschluß 6 b geschaltet sind.

Der elektrische Strom fließt vom Eingangsanschluß 6 b zum Element 1 zum größten Teil durch das untere Goldmuster 21, jedoch kaum über die Kapazität (C _P ) 17. Dies folgt daraus, daß das untere Goldmuster 21 in einem weiten Frequenzbereich eine höhere elektrische Leit­ fähigkeit besitzt und eine stärkere elektro­ magnetische Kopplung mit dem oberen Goldmuster 20 der Streifenleitung 18 aufweist als die Kapazität (C _P ) 17. Daher kann die Kapazität (C _P ) 17 vernachlässigt werden. Somit kann das elektrische Ersatzschaltbild nach Fig. 2 gemäß dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3 ver­ einfacht werden. Das Ersatzschaltbild nach Fig. 3 erzeugt nicht die vorbeschriebene schädliche Resonanz. Daher ermöglicht das vorliegende Ausführungsbeispiel eine getreue Signalüber­ tragung, selbst wenn das Element 1 in einem hohen Frequenzbereich betrieben wird.

Andererseits bewirkt die Wärmeleitung der miniaturisierten Streifenleitung 18 einen Anstieg in dem Wärmefluß vom Gefäß 5 zum Träger 3. Da jedoch das obere Goldmuster 20 und das untere Goldmuster 21 der Streifenleitung 18 als dünne Filme von mehreren µm Dicke auf­ gebracht sind, ist diese Wärmeleitung ausreichend gering, um vernachlässigt zu werden. Die Streifenleitung 18 kann in einer Dicke von etwa 0,4 mm und einer Breite von etwa 1 mm ausge­ bildet sein. Daher ist der Anstieg im Wärme­ fluß aufgrund des dielektrischen Keramikmaterials 19 nicht bemerkenswert groß. Dies bedeutet, daß die Abnahme des Kühlvermögens des elektro­ nischen Kühlelements 4 gering ist.

Die Abnahme des Kühlvermögens des Kühlelements 4 kann weiterhin auf einen vernachlässigbaren Wert reduziert werden durch Verwendung eines Keramikmaterials mit einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit wie Forsterit, Steatit oder Zirkon als dielektrisches Keramikmaterial 19 der Streifenleitung 18.

Während im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine miniaturisierte Streifenleitung 18 als Leitung mit verteilten Konstanten verwendet wird, zeigen andere derartige Leitungen wie Koaxialleitungen eine entsprechende Wirkung.

Im vorliegenden Fall wurde das Halbleiter- Laser-Element 1 als optisches Halbleiter- Element eingesetzt, jedoch können auch andere Ausführungsformen, zum Beispiel solche, in denen andere lichtemittierende oder licht­ empfangende Halbleiter-Elemente verwendet werden, entsprechende Wirkungen zeigen.

Der optische Koppler gemäß der vorliegenden Erfindung kennzeichnet sich somit durch eine Ausbildung, bei der die dem Halbleiter-Laser- Element zugewandte Seite eines elektronischen Kühlelements und ein Eingangsanschluß mitein­ ander durch eine Übertragungsleitung verbunden sind, während elektrisches Ersatzschaltbild durch eine Leitung mit verteilten Konstanten dargestellt ist, beispielsweise eine Koaxial­ leitung oder eine Streifen- bzw. Bandleitung. Bei dieser Ausbildung kann eine nachteilige Wirkung der Kapazität des Kühlelements be­ seitigt werden, so daß ein Hochfrequenzbetrieb möglich ist. Da weiterhin die Wärmeleitfähigkeit einer Leitung mit verteilten Konstanten wie einer Streifenleitung nicht bemerkenswert groß ist, kann der Anstieg des Wärmeflusses vom Gefäß zum Träger reduziert werden, wodurch die Abnahme des Kühlvermögens des elektronischen Kühlelements minimiert wird.

Claims (2)

1. Optischer Koppler mit einem optischen Halb­ leiterelement, einem dieses tragenden elektronischen Kühlelement, und einem das Halbleiterelement und das Kühlelement auf­ nehmenden luftdichten Gefäß mit einem Signalanschluß für das Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß im Gefäß (5) eine Übertragungsleitung (18) vorgesehen ist, deren Ersatzschaltbild durch eine Schaltung mit verteilten Konstanten darstellbar ist, und deren eines Ende mit der Seite des optischen Halbleiterelements (1) verbunden ist, die zwischen zwei Seiten des elektronischen Kühlelements (4) liegt, die eine Temperaturdifferenz bewirken, sowie deren anderes Ende mit dem Signalanschluß (6 a, 6 b) für das Halbleiterelement (1) verbunden ist.

2. Optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine miniaturisierte Streifenleitung (18) mit einem auf beide Seiten eines dielektrischen Substrats (19) aufgebrachten Goldmuster (20, 21) in Form eines dünnen Films als Übertragungsleitung verwendet wird, deren Ersatzschaltbild durch eine Schaltung mit verteilten Konstanten darstellbar ist.