DE4022026C2 - Anordnung zum optischen Koppeln eines Laserverstärker-Chips an eine Lichtleitfaser mittels einer Linse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum optischen Koppeln eines Laserverstärker-Chips an eine Lichtleitfaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Koppelanordnungen werden bei optoelektronischen Sende- und Empfangsbauteilen, insbesondere in Modulbauweise, in Form einer Faser-Linse-Einheit verwendet und in der opti­ schen Nachrichtenübertragung eingesetzt. Die Kopplung von ei­ nem optoelektronischen Wandlerbauteil, beispielsweise einer Laserdiode bzw. eines Laserdioden-Chips oder Laserverstärker- Chips mit einer Monomode- oder Multimodefaser erfolgt über eine solche Faser-Linse-Einheit.

Bei den bekannten Koppelanordnungen erfolgt die Ein- bzw. Auskopplung des optischen Signals direkt in die Faser (Stumpfkopplung), über eine Faser mit einer angeschmolzenen Linse (Taper-Kopplung) oder über eine Freistrahloptik mit mehreren Linsen (z. B. ISDN-Breitbandmodul).

Eine Anordnung zum optischen Koppeln eines elektrooptischen Wandlermoduls mit einem Lichtwellenleiter ist Gegenstand ei­ ner älteren europäischen Anmeldung (EP-A-0 400 161). Bei die­ ser Anordnung werden allerdings zwei Zinsen verwendet. Der Justier- und Fixieraufwand ist daher relativ groß. Zudem kann sich die Anordnung von zwei Linsen im Strahlengang zwischen Wandlermodul und Lichtwellenleiter nachteilig auf den Koppel­ wirkungsgrad auswirken.

Ein Verfahren zur Koppelung direkt in die Faser beschreibt die US 4,802,727. Sowohl die Faser als auch der optische Chip sind auf einem Substrat angeordnet, welches zur Aufnahme des Chips eine V-förmige Vertiefung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kop­ pelanordnung für einen Laserverstärker-Chip bei drastischer Verringerung der störenden Rückreflexe den Koppelwirkungsgrad zu erhöhen und insbesondere einen symmetrischen Aufbau der Anordnung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Schielwinkel, d. h. der Winkel zwischen Lichtleit­ faserachse und der Achse des aus der Linse austretenden Lichts, photolithographisch definiert eingestellt werden kann. Die Faser- Linse-Einheit kann mit einer Genauigkeit von 1/10 µm vor einem optoelektronischen Bauteil, vorzugsweise Laserverstärker-Chip fixiert werden. Der Laserverstärker-Chip hat zu seiner Chipend­ fläche eine etwa 7° schiefe aktive Zone, und der Ausfallswinkel des Laserstrahls beträgt somit ca. 25°. Durch den Einsatz einer um 25° schielenden Faser-Linse-Einheit kann der Laserverstärker- Chip und die Lichtleitfaser mit dessen Durchführung symmetrisch im Gehäuse aufgebaut werden. Die Rückwirkung (Rückreflexe) der Strahlung wird durch die Faser-Linse-Einheit beträchtlich verrin­ gert. Darüber hinaus wird durch den Einsatz von nur einer Linse im Strahlengang zwischen Laserverstärker-Chip und Lichtleitfaser der Koppelwirkungsgrad der Anordnung gegenüber älteren Anordnun­ gen erhöht.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Koppelanordnung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Koppelanordnung mit einem optischen Verstärker im Schnitt,

Fig. 3 die Koppelanordnung der Fig. 2 in Draufsicht,

Fig. 4 eine Koppelanordnung mit Siliziumträger im Schnitt und

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Unterteil des Si-Trägers der Fig. 4.

Die in Fig. 1 dargestellte Koppelanordnung bzw. Faser-Linse-Ein­ heit besteht im wesentlichen aus einem Laserverstärker-Chip 1, einer Lichtleitfaser 4 mit abgeschrägter Stirnfläche 5 und einer im Strahlengang zwischen Laserverstärker-Chip 1 und Lichtleit­ faser 4 angeordneten Linse 3, die in diesem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel die Gestalt einer Kugel besitzt. Die im Laserver­ stärker-Chip 1 verstärkte optische Strahlung wird mit Hilfe der Kugellinse 3 in die Lichtleitfaser 4, vorzugsweise eine Monomode- oder Multimodefaser eingekoppelt. Zur Reflexionsminderung ist die Stirnfläche 5 der Lichtleitfaser 4 abgeschrägt, und zwar zweckmä­ ßig in Form eines Schrägschliffes mit einem Schliffwinkel ϑ von ca. 7°. Der hohe Koppelwirkungsgrad bei geringer Rückreflexion der Strahlung wird durch das Schiefschleifen der Endfläche der Lichtleitfaser und mit der schielenden Koppeloptik erreicht. Zu­ dem sind die Achsen des Laserstrahls, der Linse 3 und der Licht­ leitfaser 4 in axialer Richtung gegeneinander versetzt. Mit d_K ist der Achsenversatz der Kugellinse 3 zur Laserstrahlachse und mit d_F der Achsenversatz der Lichtleitfaser 4 zur optischen Ach­ se der Kugellinse 3 bezeichnet. Außerdem hat der Laserverstärker- Chip 1 zu seiner Chipendfläche eine ca. 7° schiefe aktive Zone 2, und der Ausfallswinkel α des Laserstrahls beträgt somit ca. 25°. Letztere Maßnahme dient insbesondere der Realisierung eines sym­ metrischen Aufbaus der Anordnung bei gleichzeitiger drastischer Verringerung der störenden Rückreflexionen bedingt durch die um ca. 25° schielende Faser-Linse-Einheit.

Der in den Fig. 2 und 3 dargestellte optische Verstärker ist in einem hermetisch dichten Metallgehäuse 6 angeordnet. Aufgrund der erfindungsgemäßen Koppelanordnung kann der Laserverstärker- Chip 1 und die Lichtleitfaser 4 mit deren Durchführung 7 symme­ trisch im Gehäuse 6 aufgebaut werden. Das optische Signal wird von der ankommenden Strecke (Lichtleitfaser) über die Lichtleit­ faser 4 und die Linse 3 in den Laserverstärker-Chip 1 eingekop­ pelt. Im Laserverstärker-Chip 1 wird das Signal verstärkt und an der gegenüberliegenden Seite wieder mit einer aus einer Linse 3 und einer Lichtleitfaser 4 gebildeten Koppelanordnung in die aus einer Lichtleitfaser, beispielsweise Monomode-Faser, gebildete ausgehende Strecke eingekoppelt. Dabei soll der Koppelwirkungs­ grad maximal und die Reflexion von den optischen Komponenten (z. B. Linsenoberfläche, Faserendfläche) minimal werden. Hoher Koppelwirkungsgrad und geringe Lichtrückwirkung wird durch Schiefschleifen der Faserendfläche und mit schielender Koppelop­ tik erreicht. Der Laserverstärker-Chip 1 ist in an sich bekann­ ter Weise über einen zweckmäßig aus mehreren Teilen zusammenge­ setzten Träger 8 und einen geeigneten Peltierkühler 11 am Metall­ gehäuse 6 befestigt. Die zu beiden Seiten des Laserverstärker- Chips 1 auf dem gemeinsamen Träger 8 über einen Glaszwischenträ­ ger 15 angebrachten Faser-Linse-Einheiten sind in jeweils einem Siliziumträgerteil 10 befestigt, das in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 beschrieben wird. In der Draufsicht (Fig. 3) sind der Achsen­ versatz d_F der Lichtleitfaser und die schiefe aktive Zone 2 des Laserverstärker-Chips 1 eingezeichnet. Die elektrischen Anschlüs­ se für die Anordnung sind mit dem Bezugszeichen 12 versehen.

Mit der Linse 3 und der Lichtleitfaser 4 mit schiefgeschliffener Endfläche wird eine Faser-Linse-Einheit mit definierter Fokuslage und Schielwinkel hergestellt. Eine solche Einheit ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Anschließend wird die vorgeprüfte Faser-Lin­ se-Einheit vor dem Laserverstärker-Chip 1 justiert und fixiert, und zwar mit einer Genauigkeit von 1/10 µm. Die Aufbautoleranzen der Faser-Linse-Einheiten können durch Versatz und Verkippung der Faser-Linse-Einheit vor dem Laserverstärker-Chip ausgeglichen werden.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Siliziumträgerteil 10 weist Vertiefungen 9 auf, die vorzugsweise durch anisotropes Ätzen im Silizium gebildet sind. Damit sind Genauigkeiten der Lage der einzelnen optischen Elemente im Mikrometerbereich (±1 µm) möglich. Das Siliziumträgerteil 10 für die Faser-Linse-Einheit der Koppel­ anordnung besteht aus zwei Siliziumteilen, in die lagegenaue Ver­ tiefungen 9 für die Linse 3, den Signalstrahl zwischen Linse 3 und Lichtleitfaser 4 und die Lichtleitfaser 4 freigeätzt worden sind. Diese Ätzteile können sehr maßgenau und in großen Stückzah­ len auf einem Si-Wafer hergestellt werden. Die geätzten Wafer für das Unterteil des Siliziumträgerteil 10 werden auf der Rück­ seite oxidiert und in einer Sputter- oder Aufdampfanlage metalli­ siert. Die Metallschicht besteht vorzugsweise aus Ti/Pt/Au. Auf die geätzten Wafer für das Oberteil wird über die Ätzstruktur noch eine dünne Glaslotschicht mit einer Dicke von ca. 15 µm auf­ getragen. Bedingt durch die Silizium-Ätztechnologie bleiben zwi­ schen den einzelnen Ätznuten Stege 13 übrig. Diese werden mit der Wafersäge entfernt. Gleichzeitig werden diese Kanten als An­ schlag für die Lichtleitfaser 4 verwendet. Auch das Glaslot in der Nähe der Faserendfläche wird weggesägt. Dann werden die Sili­ ziumteile mit der Wafersäge vereinzelt. In das Unterteil des Si­ liziumträgerteils 10 wird die Kugellinse 3 und die schiefgeschlif­ fene Lichtleitfaser 4 lagerichtig in die dafür vorgesehenen Ver­ tiefungen 9 (Nuten) gelegt und beides in einer geeigneten Vor­ richtung verglast. Das Unterteil des Siliziumträgerteils 10 wird an der metallisierten Fläche teilweise belotet (Lotschicht 14). Bei der Justierung des Siliziumträgerteils 10 (mit der Faser 4 und der Linse 3) vor dem Laserverstärker-Chip 1 wird das Lot auf der Unterseite des Siliziumträgerteils 10 mit einer Stromzange angeschmolzen. Gleichzeitig wird das Lotangebot am Glaszwischen­ träger 15 (Fig. 2), der als Wärmewiderstand erforderlich ist, an­ geschmolzen. Die Justierung erfolgt somit im flüssigen Lot. Ver­ tikal muß nach dem Schrumpfen des Lotes vorgehalten werden. Der Justierweg ist vertikal (Y-Achse) durch die Lotdicke (Justierung ca. ±40 µm möglich), horizontal (X-Achse) und axial (Z-Achse) durch den mechanischen Aufbau vorgegeben.

Für den Fall, daß beide Siliziumteile des Siliziumträgerteils an der Innenseite und die Lichtleitfaser metallisiert werden, können als Alternative die Teile mit Weichlot verbunden werden.

Eine Koppelanordnung mit gemeinsamen Siliziumträgerteil für Linse und Lichtleitfaser zeichnet sich auch durch eine hohe Langzeit­ stabilität der Kopplung aus, insbesondere dann, wenn der Laser­ verstärker und beide Siliziumträgerteile mit jeweils einer Faser- Linse-Einheit auf einem gemeinsamen Subträger fixiert sind. Zu­ dem machen die geringen Abmessungen der Anordnung den Koppelwir­ kungsgrad des Verstärkermoduls gegen mechanische Verspannungen und thermische Längenausdehnungen unempfindlich.

Claims (6)

1. Anordnung zum optischen Koppeln eines Laserverstärker-Chips an eine Lichtleitfaser, bei der eine Linse im Strahlengang zwi­ schen Laserverstärker-Chip und Lichtleitfaser justiert und fi­ xiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserverstärker-Chip (1) eine zu seiner Strahlenaustritts­ fläche schräg verlaufende aktive Zone (2) aufweist, daß die Lichtleitfaser (4) eine abgeschrägte Stirnfläche (5) besitzt, und daß die Achsen des Laserstrahls, der Linse (3) und der Lichtleitfaser (4) in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linse (3) eine Kugellinse ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (4) eine Mono­ mode- oder Multimodefaser ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserverstärker-Chip (1) eine zu seiner Strahlenaustrittsfläche in einem Winkel von unge­ fähr 7° schräg verlaufende aktive Zone (2) aufweist, so daß der Ausfallswinkel α des Laserstrahls ungefähr 25° beträgt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (3) und die Licht­ leitfaser (4) auf einem gemeinsamen Siliziumträgerteil (10) in deren räumliche Lage bestimmenden Ätzvertiefungen (9) angeordnet und befestigt sind, und daß das Siliziumträgerteil (10) vor dem Laserverstärker-Chip (1) justiert und fixiert ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich an beide Strahlenaus- bzw. -eintrittsflächen des Laserverstärker-Chips (1) jeweils eine Linse (3)- Lichtleitfaser (4)- Koppeloptik anschließt.