DE4416717C1 - Anordnung als bidirektionales Sende- und Empfangsmodul - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer speziell ausgestaltete Laserdiode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die bidirektionale Kommunikation über Glasfasern werden für den getrennten Sende- und Empfangsbetrieb (sogenannter Ping-Pong-Betrieb) Module benötigt, die in einem Zeitab­ schnitt mit einem Halbleiterlaser Signale in Form von Licht­ impulsen in eine Glasfaser aus senden und in einem anderen Zeitabschnitt von derselben Glasfaser kommendes Licht emp­ fangen und in elektrische Signale umwandeln können. Zu diesem Zweck muß der Modul eine Laserdiode als Sender, eine Fotodi­ ode als Empfanger und ggf. optische Ankoppelelemente umfas­ sen. Vorteilhaft ist außerdem, wenn zur Kontrolle des Lasers eine Monitordiode vorgesehen ist. Es müssen außerdem optische Mittel vorgesehen sein, die die von der Laserdiode kommende Strahlung in die Glasfaser und die aus der Glasfaser ankom­ mende Strahlung in die Fotodiode lenken.

In der DE 42 35 920 C1 ist eine monolithisch integrierte La­ serdiode-Koppler-Kombination mit zwei geradlinig parallel ge­ führten Wellenleitern beschrieben, die in einem für Kopplung vorgesehenen Bereich durch Stegwellenleiter, bestehend aus einer Wellenleiterschicht und darauf befindlichen Streifen, und in einem für die Laserdiode vorgesehenen Bereich durch vergrabene streifenförmige Wellenleiter, bestehend aus einem aktiven Streifen und einem streifenförmigen passiven Wellen­ leiter mit einer darauf befindlichen Deckschicht, gebildet sind.

In der Veröffentlichung von B. L. Anderson: "Vertical-Cavity Ring Laser" in TEEE Photonics Technol. Lett. 6, 330-333 (1994) ist eine gattungsgemäße Anordnung mit einer Laserdiode beschrieben, in der ein strahlungserzeugender Bereich und ein aktiver oder passiver Wel­ lenleiter übereinander angeordnet sind. Die Strahlungsrich­ tung wird durch mehrere Spiegel in jeweils rechtem Winkel um­ gelenkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vereinfachte Anordnung für ein bidirektionales Sende- und Empfangsmodul anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Laserdiode mit einem parallel zu einem streifenförmigen Laser-Resonator verlaufenden passiven Wellenleiter vorhanden, der das ankommende Licht durch die Laserdiode hindurch auf eine als Empfänger betriebene Fotodiode lenkt, die im Sendemodus als Monitordiode für den Laser fungiert. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung einer derartigen Laserdiode für den Aufbau eines Ping-Pong-Moduls ist darin zu sehen, daß damit herkömmliche Sendemodule in einfacher Weise in einen Sende- und Empfangsmodul umgestaltet werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine in der Anordnung eingesetzte Laserdiode in einer schrägen Aufsicht.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung (Ping-Pong-Modul).

Bei einer kantenemittierenden Laserdiode wird das auf einer Seite austretende Licht für die Sendefunktion genutzt. Das auf der entgegengesetzten Seite austretende Licht wird auf eine Fotodiode gerichtet, die als Monitordiode die Funktions­ weise des Lasers kontrolliert, so daß bei Schwankungen der Sendeleistung der Betriebsstrom nachreguliert werden kann. In Fig. 1 ist eine Laserdiode dargestellt, bei der eine aktive Schicht 1 vorhanden ist, in der bei Anlegen eines Betriebsstromes unterhalb eines Steges 2 aus Halblei­ termaterial in einem streifenförmigen aktiven Bereich 3 Laserstrahlung erzeugt wird. Die Endflächen sind als Resona­ torendflächen verspiegelt. Auf der Oberseite des Steges ist der für das Anlegen des Betriebsstromes vorgesehene Kontakt 4 aufgebracht. Ein Gegenkontakt befindet sich entweder auf der Unterseite des Substrates oder in einem anderen Bereich der Oberseite (nicht eingezeichnet). Die Oberseite der Laserdiode ist mit einer Dielektrikumschicht 5 passiviert. Auf dieser Dielektrikumschicht 5 ist ein streifenförmiger passiver Wellenleiter 6 als Steg angeordnet, der parallel zu dem aktiven Bereich 3 verläuft. Dieser passive Wellenleiter 6 ist so nahe neben dem Steg 2 des Stegwellenleiters des aktiven Bereichs angeordnet, daß in dem passiven Wellenleiter 6 geführte Strahlung und die Laserstrahlung des aktiven Berei­ ches 3 nur geringfügig gegeneinander versetzt sind. Der passive Wellenleiter 6 kann unter Umständen aus mehreren verschiedenen transparenten Materialien unterschiedlicher Brechungsindizes aufgebaut sein, wofür z. B. Dielektrika, Polyimide und dergleichen in Frage kommen und wobei die passivierende Dielektrikumschicht 5 (z. B. Oxid oder Nitrid) mit einbezogen sein kann. Die Stirnflächen des Wellenleiters 6 können mit den Spiegelendflächen des Lasers bündig ab­ schließen oder geringfügig überstehen oder zurückstehen, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Dadurch wird erreicht, daß die Endflächen des Wellenleiters 6 ohne Beschichtung belassen werden können, wenn für die Laserendflächen z. B. die Be­ schichtung mit einer Antireflexionsschicht vorgesehen ist. Die Beschichtung der Laserendflächen kann dann z. B. schräg gerichtet so vorgenommen werden, daß die betreffende Endflä­ che des passiven Wellenleiters 6 abgeschattet ist und nicht beschichtet wird.

Statt des Stegwellenleiters der Laserdiode kann im Prinzip jede bekannte Laserstruktur als Grundlage für die erfindungs­ gemäße Anordnung verwendet werden (z. B. auch eine BH-Laser­ diode mit einem vergrabenen, streifenförmigen Schichtaufbau, der lateral durch Halbleitermaterial begrenzt ist). Der passive Wellenleiter der Laserdiode befin­ det sich z. B. (vorteilhaft für einfache Herstellbarkeit) als Steg auf der Oberseite einer bekannten Laserstruktur ausreichend nah an dem laseraktiven Bereich, um die Einkopp­ lung von Strahlung aus der Glasfaser in den passiven Wellen­ leiter und die Einkopplung von Laserstrahlung in diese Glas­ faser gleichermaßen zu ermöglichen. Der passive Wellenleiter ist von dem Halbleitermaterial der Laserstruktur durch eine Dielektrikumschicht getrennt, die nur im Bereich des Wellen­ leiters oder auch ganzflächig z. B. als obere Passivierungs­ schicht aufgebracht sein kann.

Wie diese Laserdiode in einem Ping-Pong-Modul eingesetzt werden kann, wird jetzt beispielhaft anhand der in Fig. 2 gezeigten Anordnung beschrieben. Auf einer Grundplatte 12 ist die Laserdiode 13 montiert. Die Längsrichtung des aktiven Bereiches und des passiven Wellenleiters 6 dieser Laserdiode 13 verläuft in der Zeichenebene. Auf der einen Seite gelangt die von der Laserdiode 13 ausgesandte Strahlung 9 in eine in diesem Beispiel als separates Bauelement ausgeführte Fotodi­ ode 14. Auf der entgegengesetzten Seite wird die Laserstrah­ lung 8 durch eine optische Einrichtung 15 geführt und kann in eine angekoppelte Glasfaser 16 eingekoppelt werden. Ein Ankoppelelement für die Glasfaser 16 ist in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die Glasfaser kann z. B. in eine Nut der Grundplatte 12 oder in eine in der opti­ schen Einrichtung 15 vorgesehene Aussparung eingesetzt wer­ den. Diese optische Einrichtung kann ganz allgemein eine optische Verbindung zwischen dem aktiven Bereich der Laserdi­ ode 13 und der Glasfaser 16 sein. Insbesondere kommt für die optische Einrichtung 15 eine Kugellinse in Frage, die z. B. wie in Fig. 2 als separates Bauelement montiert sein kann. Vorteilhaft ist eine Umlenkung der Laserstrahlung in eine von der Oberseite der Grundplatte 12 senkrecht weg weisende Richtung. Bei Verwendung einer planaren Fotodiode 14, die mit ihrer Grundseite parallel zur Grundplatte 12 montiert wird, empfiehlt sich auch auf dieser Seite der Anordnung ein Umlenken der Laserstrahlung in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte 12. Dafür sind die beiden Reflek­ toren 17 vorgesehen, die z. B. aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial bestehen können.

In Fig. 2 ist mit den Pfeilen der Strahlengang der aus der Glasfaser 16 ankommenden Strahlung 18 bezeichnet. Diese Strahlung 18 wird in der optischen Einrichtung 15 gebündelt, an dem rechten Reflektor 17 reflektiert, wird durch den passiven Wellenleiter 6 der Laserdiode 13 geführt, an dem linken Reflektor 17 reflektiert und gelangt auf die fotosen­ sitive Schichtstruktur (pn-Übergang) der Fotodiode 14, wo sie detektiert und anschließend decodiert wird. Die auf der Seite der Fotodiode 14 aus tretende Laserstrahlung 9 wird ebenfalls in die Fotodiode 14 reflektiert, so daß die Fotodiode als Monitordiode für die Laserstrahlung verwendet werden kann.

Auf der anderen Seite wird die austretende Laserstrahlung 8 zu der aus der Glasfaser 16 ankommenden Strahlung 18 ebenfalls geringfügig versetzt an dem rechten Reflektor 17 nach oben reflektiert, durch die optische Einrichtung 15 gebündelt und in die Glasfaser 16 eingekoppelt. Die gesamte Anordnung wird dabei so justiert, daß das aus der Glasfaser 16 ankommende Licht 18 möglichst vollständig in den passiven Wellenleiter 6 gelangt, der Fokus der auf der rechten Seite eingezeichneten optischen Einrichtung also möglichst genau auf der diesseitigen Stirnfläche des passiven Wellenleiters 6 liegt. Diese Maßnahme hat eine Abnahme des Anteils der in die Glasfaser 16 eingekoppelten Laserstrahlung 8 entsprechend dieser Justage zur Folge. Das kann aber in gewissem Umfang durch ein entsprechend höheres Aussteuern des Sendelasers 13 ausgeglichen werden. Ohne Einsatz der Laserdiode mit dem passiven Wellenleiter 6 würde das ankommende Licht bei Ausbreitung als freier Strahl wegen der auftretenden Divergenz nur zu einem nicht mehr akzeptabel geringen Anteil auf die Fläche der Fotodiode 14 gelangen. Das Modul würde dann nur unzureichend als Empfänger arbeiten. Zur Vervollständigung des Moduls sind elektrische Schaltungen vorzusehen, die es gestatten, die Fotodiode 14 als Empfangs­ diode und als Monitordiode für den Laser zu betreiben.

Unter Verwendung der Laserdiode können auch bereits bekannte Module mit geringstem Aufwand in Sende- und Empfangsmodule für sogenannten Ping-Pong-Betrieb umgebaut werden, so daß der technische Aufwand für diese neuen Module kaum höher als für einfache Sendemodule ist. Das gilt unab­ hängig von dem speziellen Aufbau des hier als Beispiel be­ schriebenen Moduls der Fig. 2. Die gesamte Anordnung kann z. B. auch in einer Ebene montiert sein. Die Fotodiode 14 wird dann um 90° gekippt oder in einen der Reflektoren 17 einge­ baut. Die Glasfaser könnte z. B. in einer grabenförmigen Nut der Grundplatte 12 montiert sein und die optische Einrichtung durch eine ebenfalls in einer Aussparung der Grundplatte angeordnete Kugellinse zwischen der Laserdiode 13 und der Glasfaser 16 gebildet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ankommende Strahlung durch den Sendelaser zu leiten, so daß der Empfang auf der der Senderichtung gegen­ überliegenden Seite der Laserdiode erfolgen kann.

Claims (5)

1. Anordnung mit einer Laserdiode (13) mit einem streifenförmigen aktiven Bereich, der für Strahlungserzeugung vorgesehen und mit Mitteln für Strominjektion versehen ist, bei der parallel zu diesem aktiven Bereich und davon optisch getrennt ein strei­ fenförmiger passiver Wellenleiter (6) vorhanden ist und bei der dieser passive Wellenleiter Endflächen aufweist, die die Einkopplung und Auskopplung von Strahlung ermöglichen, gekennzeichnet durch
eine Fotodiode (14) und
eine optische Einrichtung (15),
wobei diese Fotodiode (14) und diese optische Einrichtung (15) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Laserdiode (13) in der durch die Längsrichtung des passiven Wellenlei­ ters gegebenen Richtung angeordnet sind,
und wobei diese Laserdiode (13) und diese optische Einrichtung (15) so beschaffen und angeordnet sind, daß aus einer ange­ koppelten Glasfaser (16) austretende Strahlung (18) in den passiven Wellenleiter (6) gelangt,
wobei diese Fotodiode (14) so beschaffen und angeordnet ist,
daß diese Strahlung nach Verlassen des passiven Wellenleiters von dieser Fotodiode (14) detektiert werden kann und daß zusätzlich von dem aktiven Bereich der Laserdiode (13) ausgehende Strahlung (9) von dieser Fotodiode (14) detektiert werden kann, und
wobei diese optische Einrichtung (15) so beschaffen und angeordnet ist, daß von dem aktiven Bereich der Laserdiode (13) ausgehende Strahlung (8) in die angekoppelte Glasfaser (16) eingekoppelt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die optische Einrichtung (15) eine Linse umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die optische Einrichtung (15) ein Ankoppelelement für eine Glasfaser (16) umfaßt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der Reflektoren (17) vorhanden sind, die die aus der Laserdiode austretende Strahlung (8, 9) in eine andere Rich­ tung umlenken.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der elektronische Schaltungen vorhanden sind, die es gestatten, die Fotodiode (14) als Monitordiode für die Laser­ diode (13) und als Empfangsdiode für durch den passiven Wellenleiter tretende Strahlung zu betreiben.