DE4431284A1

DE4431284A1 - Optical isolator for use in closed housings esp. in laser system

Info

Publication number: DE4431284A1
Application number: DE19944431284
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Kuke; Eberhard Moess
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-07

Abstract

The isolator has at least a first polariser, a Faraday rotator and a second polariser. At least the components (11,12,13) of the isolator (10) which are not rotationally symmetrical with respect to their transmission properties have at least one planar edge surface (210). This edge has a defined position relative to the respective transmission properties. A carrier (31) has a groove (30). The individual components (11,12,13) of the isolator (10) are arranged in the groove (30) such that the edge surfaces (210) lie in a wall of the groove (30). The carrier (31) is preferably a silicon plate which is micromechanically structured by means of anisotropic etching. The groove (30) is preferably a V-shaped groove.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Isolator mit einem ersten Polarisator, mit einem Faraday-Rotator und mit einem zweiten Polarisator.The invention relates to an optical isolator with a first polarizer, with a Faraday rotator and with a second polarizer.

Soll eine Laserdiode für sehr hohe Übertragungsfrequenzen bzw. Bitraten eingesetzt werden, so ist es erforderlich, rückreflektierte Strahlung von der Laserdiode fernzuhalten. Die Rückreflexe können sowohl an der zur optischen Ankopplung zwischen Laserdiode und Faser erforderlichen Koppeloptik als auch auf der Faserstrecke selbst (Steckkontakte, Spleiße), entstehen. Die Reflexe an der Koppeloptik werden nach dem Stand der Technik dadurch vermieden, daß die optischen Flächen mit einer Antireflexionsbeschichtung vergütet werden und/oder schräg zum Strahlengang eingebaut werden. Die Rückreflexe aus der Faserstrecke können durch diese Maßnahmen nicht beseitigt werden. Nach dem Stand der Technik wird hierzu ein optischer Isolator eingesetzt. Ein solcher optischer Isolator besteht aus einem ersten Polarisator, einem optischen Kristall mit Faraday-Effekt in einem statischen Magnetfeld, der die Polarisationsebene des Lichtes um 45 dreht, und aus einem zweiten Polarisator, dessen Polarisationsrichtung gegenüber der des ersten Polarisators um 45° verdreht ist. In der Durchlaßrichtung trifft das im ersten Polarisator linear polarisierte Licht nach Drehung um 45° mit seiner Polarisationsebene parallel zur Polarisationsrichtung des zweiten Polarisators auf diesen und wird deshalb nahezu nicht geschwächt. In der entgegengesetzten Richtung, der Sperrichtung, bewirkt die Drehung um 45°, daß das vom zweiten Polarisator linear polarisierte Licht den ersten Polarisator um 90° zu dessen Polarisationsrichtung verdreht trifft und deshalb gesperrt wird. In der Fig. 1 sind die Lichtwege (gestrichelte Pfeile) und die Polarisationsrichtungen bzw. -drehungen (durchgezogene Pfeile, wobei die Polarisationswinkel jeweils in die Zeichenebene umgeklappt wurden) für die Durchgangsrichtung (obere Pfeilreihe) und Sperrichtung (untere Pfeilreihe) eingezeichnet. Um eine für den Gebrauch wichtige geringe Durchgangs- und hohe Sperrdämpfung zu erreichen, ist neben einer hohen Qualität der Polarisatoren und des Faraday-Rotators eine sehr exakte azimutale Ausrichtung dieser Bauteile zueinander erforderlich. Um einen Isolator vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist es erforderlich, alle optischen Komponenten des Isolators gemeinsam in ein zylindrisches Metallgehäuse hermetisch dicht zu verschließen. Die Baugröße des gesamten Isolators muß dabei so klein sein, daß er in den für die Laserankopplung erforderlichen mikrooptischen Strahlengang hineinpaßt. Nach dem Stand der Technik ist hierfür ein Außendurchmesser von 3 mm und eine Länge von 4 mm üblich. Bei der Montage des fertigen Isolators in einem Lasersendemodul, des sich ebenfalls in einem abgeschlossenen Gehäuse befindet muß eine exakte azimutale Ausrichtung des Isolators zur Polarisationsebene der Laserdiode durchgeführt werden. Dies bedeutet einen zusätzlichen Justageschritt bei der Lasermontage.If a laser diode is to be used for very high transmission frequencies or bit rates, it is necessary to keep back-reflected radiation away from the laser diode. The back reflections can occur both on the coupling optics required for the optical coupling between the laser diode and the fiber as well as on the fiber link itself (plug contacts, splices). The reflections on the coupling optics are avoided according to the prior art in that the optical surfaces are coated with an antireflection coating and / or are installed at an angle to the beam path. The back reflections from the fiber section cannot be eliminated by these measures. According to the prior art, an optical isolator is used for this. Such an optical isolator consists of a first polarizer, an optical crystal with a Faraday effect in a static magnetic field, which rotates the plane of polarization of the light by 45, and a second polarizer, the direction of polarization of which is rotated by 45 ° with respect to that of the first polarizer. In the transmission direction, the light linearly polarized in the first polarizer strikes it after rotation through 45 ° with its plane of polarization parallel to the polarization direction of the second polarizer and is therefore almost not weakened. In the opposite direction, the blocking direction, the rotation by 45 ° has the effect that the light linearly polarized by the second polarizer strikes the first polarizer by 90 ° to its direction of polarization and is therefore blocked. In Fig. 1, the light paths (dashed arrows) and the polarization directions or rotations (solid arrows, the polarization angles have been flipped into the plane of the drawing) for the passage direction (upper row of arrows) and blocking direction (lower row of arrows) are shown. In order to achieve a low throughput and high blocking attenuation, which is important for use, in addition to the high quality of the polarizers and the Faraday rotator, a very exact azimuthal alignment of these components with one another is required. In order to protect an isolator from environmental influences, it is necessary to hermetically seal all optical components of the isolator together in a cylindrical metal housing. The size of the entire isolator must be so small that it fits into the micro-optical beam path required for laser coupling. According to the prior art, an outer diameter of 3 mm and a length of 4 mm are common. When assembling the finished insulator in a laser transmitter module, which is also located in a sealed housing, an exact azimuthal alignment of the insulator to the polarization plane of the laser diode must be carried out. This means an additional adjustment step in the laser assembly.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen optischen Isolator anzugeben, der zum Einsatz in geschlossenen Gehäusen geeignet ist und eine einfache Justage der einzelnen Komponenten erlaubt. The object of the present invention is an optical one Specify isolator for use in closed Housing is suitable and easy adjustment of the individual components allowed.

Die Aufgabe wird von einem Isolator mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The task is performed by an isolator with the characteristics of the Claim 1 solved. Advantageous further developments are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird anhand der Abbildungen erläutert. Die Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt einen Isolator mit einem ersten Polarisator 1, einem Faraday-Rotator 2 mit einem ringförmigen Permanentmagnet 4 und einem zweiten Polarisator 3. Diese Komponenten sind bislang gemeinsam in einem zylindrischen Gehäuse 5 hermetisch dicht über Lötverbindungen 6 eingebaut. Bei dieser Art der Montage ist es sehr kostenintensiv, die einzelnen Komponenten mit hoher Präzision azimutal zueinander auszurichten und hermetisch dicht einzulöten.The invention is illustrated by the figures. Fig. 1 shows a longitudinal section of an insulator having a first polarizer 1, a Faraday rotator 2 with an annular permanent magnet 4 and a second polarizer 3. So far, these components have been installed together in a cylindrical housing 5 hermetically sealed via soldered connections 6 . With this type of assembly, it is very cost-intensive to align the individual components azimuthally with high precision and to solder them in hermetically.

Bei einem Einsatz des Isolators in einem hermetisch dichten Gehäuse ist eine hermetisch dichte Verkapselung der Einzelkomponenten des Isolators nicht erforderlich. Die Komponenten des Isolators können viel einfacher und kostengünstiger mit einem Klebstoff fixiert werden. Um die Komponenten des Isolators azimutal mit hoher Präzision zueinander auszurichten wird vorgeschlagen, daß die Komponenten mit mindestens einer ebenen Fläche 210 am Rand versehen werden. Diese ebene Fläche 210 hat eine feste azimutale Winkelbeziehung zu der erforderlichen azimutalen Winkellage der jeweiligen Isolator-Komponente. In Fig. 2 ist beispielsweise ein erster Polarisator 11 mit seiner Polarisationsebene 21 in waagerechter Richtung dargestellt. Der Polarisator hat zwei ebene Randflächen 210 und 210′, die einen Winkel vonIf the insulator is used in a hermetically sealed housing, hermetically sealed encapsulation of the individual components of the insulator is not necessary. The components of the insulator can be fixed much more easily and cost-effectively with an adhesive. In order to align the components of the isolator azimuthally with one another with high precision, it is proposed that the components be provided with at least one flat surface 210 on the edge. This flat surface 210 has a fixed azimuthal angular relationship to the required azimuthal angular position of the respective isolator component. In FIG. 2, a first polarizer, for example, 11 with its polarization plane 21 in the horizontal direction. The polarizer has two flat edge surfaces 210 and 210 ', which are at an angle of

α = arctan (√) = 54, 74°α = arctan (√) = 54, 74 °

mit der Polarisationsrichtung des Polarisators 11 einschließen, so daß der Winkel γ zwischen den beiden Flächen 210 und 210′enclose with the polarization direction of the polarizer 11 so that the angle γ between the two surfaces 210 and 210 '

γ 180° - 2·α = 70, 53°γ 180 ° - 2α = 70, 53 °

beträgt. Diese Winkel entstehen, wenn in {100}-orientiertem einkristallinem Silizium eine V-Nut in <100<-Richtung anisotrop geätzt wird. In Fig. 3 ist eine V-Nut 30 in einem Siliziumsubstrat 31 dargestellt. Der Polarisator 11 wird nun in diese V-Nut eingelegt, wobei eine sehr exakte azimutale Winkelausrichtung erreicht wird. Auf gleiche Weise werden die anderen Isolator-Komponenten, der Faraday-Rotator 12 und der zweite Polarisator 13 montiert, die jeweils ebenfalls mit ebenen Randflächen 210 und 210′ versehen sind, wobei diese Randflächen jeweils mit der erforderlichen azimutalen Lage, die für die entsprechende Komponente erforderlich ist, ausgerichtet sind. Der Faraday-Rotator ist dabei im Randbereich mit einem Permanentmagnet 14 versehen.is. These angles arise when a V-groove is anisotropically etched in the <100 <direction in {100} -oriented single-crystal silicon. In Fig. 3, a V-groove 30 is shown in a silicon substrate 31. The polarizer 11 is now inserted into this V-groove, a very exact azimuthal angular alignment being achieved. In the same way, the other isolator components, the Faraday rotator 12 and the second polarizer 13 are mounted, which are also each provided with flat edge surfaces 210 and 210 ', these edge surfaces each having the required azimuthal position for the corresponding component is required are aligned. The Faraday rotator is provided with a permanent magnet 14 in the edge region.

Weiter ist es ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, daß nicht nur, wie schon gesagt, auf die gegenseitige azimutale Justage der Einzelkomponenten zueinander der Herstellung des Isolators verzichtet werden kann, sondern daß ebenso eine nach dem Stand der Technik erforderliche azimutale Justage des gesamten Isolators z. B. zur Polarisationsebene eines Lasers entfällt.It is also an advantage of the solution according to the invention that not just, as I said, on the mutual azimuthal Adjustment of the individual components to each other to manufacture the Isolators can be dispensed with, but that as well azimuthal adjustment required by the prior art of the entire insulator z. B. to the plane of polarization Lasers is eliminated.

Halbleiterlaser senden bereits eine linear polarisierte Lichtstrahlung aus, deren Polarisationsebene parallel zur aktiven Fläche liegt. Wird nun der Halbleiterlaser 110 direkt auf der Oberfläche 32 oder parallel hierzu montiert, so liegt eine feste Winkelbeziehung zwischen der Polarisationsebene des Laserlichtes und der Ausrichtung der optischen Komponenten des Isolators vor. Eine azimutale Justage zwischen Laser-Polarisationsebene und Isolator, die nach dem Stand der Technik erforderlich ist, entfällt dadurch.Semiconductor lasers already emit linearly polarized light radiation, the polarization plane of which is parallel to the active surface. If the semiconductor laser 110 is now mounted directly on the surface 32 or parallel thereto, there is a fixed angular relationship between the polarization plane of the laser light and the alignment of the optical components of the isolator. This eliminates the need for an azimuthal adjustment between the laser polarization plane and the isolator, which is required according to the prior art.

In der gleichen V-Nut 30 können neben dem Isolator noch weitere optische Komponenten, die für die optische Strahlführung erforderliche sind, justagefrei montiert werden. So kann der Isolator beispielsweise bei erhöhten Anforderungen an die Sperrdämpfung durch Hinzufügen eines weiteren Faraday-Rotators und Polarisators zu einem zweistufigen Isolator auf einfache Weise erweitert werden. Auf der rückwärtigen Seiten des Lasers kann eine Nut 41 ebenfalls anisotrop geätzt werden, um eine Monitordiode (hier nicht gezeichnet) aufzunehmen. Um alle Komponenten vor Umwelteinflüssen hermetisch dicht zu schützen, wird das Siliziumsubstrat mit den elektronischen, elektrooptischen und optischen Bauteilen in ein Gehäuse 50 eingebaut, das an einer Außenfläche ein Fenster 51 hat, durch welcher der Strahl austritt. Im Außenraum wird der Strahl mit einer Fokussierungslinse, die auch das Fenster 50 ersetzten kann, fokussiert und in eine Lichtleitfaser eingekoppelt (hier nicht gezeigt). Um direkte Rückreflexionen an den Grenzflächen der optischen Komponenten zu vermeiden, können diese, wie nach dem Stand der Technik bekannt, mit Antireflexionsschichten versehen werden und/oder zum Strahlengang geneigt werden.In addition to the isolator, other optical components required for optical beam guidance can be mounted in the same V-groove 30 without adjustment. For example, the isolator can be expanded to a two-stage isolator in a simple manner in the case of increased requirements for the blocking attenuation by adding a further Faraday rotator and polarizer. A groove 41 can also be anisotropically etched on the rear side of the laser in order to accommodate a monitor diode (not shown here). In order to hermetically protect all components from environmental influences, the silicon substrate with the electronic, electro-optical and optical components is installed in a housing 50 which has a window 51 on an outer surface through which the beam emerges. Outside, the beam is focused with a focusing lens, which can also replace the window 50 , and is coupled into an optical fiber (not shown here). In order to avoid direct back reflections at the interfaces of the optical components, they can be provided with anti-reflection layers and / or inclined to the beam path, as is known in the prior art.

Die Anwendung des Isolators in einem Lasermodul stellt nur ein Beispiel von vielen möglichen Anwendungen in geschlossenen Gehäusen dar.The application of the isolator in a laser module only provides an example of many possible applications in closed housings.

Claims

1. Optical isolator with at least a first polarizer, a Faraday rotator and a second polarizer, characterized in that at least the components ( 11 , 12 , 13 ) of the isolator ( 10 ) that are not rotationally symmetrical with regard to their transmission properties have at least one flat edge surface ( 210 , 210 ′), which has a defined position with respect to the respective transmission properties of the component, that a carrier ( 31 ) with a groove ( 30 ) is provided and that the individual components ( 11 , 12 , 13 ) of the insulator ( 10 ) are inserted in the groove ( 30 ) such that the flat edge surface ( 210 , 210 ') lies on a wall of the groove ( 30 ).

2. Optical isolator according to claim 1, characterized in that the carrier ( 31 ) is a silicon carrier plate which is micromechanically structured by means of anisotropic etching technology.

3. Optical isolator according to claim 2, characterized in that the groove ( 30 ) is a V-groove.