DE4432794A1 - Semiconductor laser module for coupling to optical fibre - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Lasermodul mit einem Halbleiterlaser in einem Gehäuse, einer Zweilinsen- Koppeloptik zur Ankopplung an einen Lichtwellenleiter, einem Isolator im Strahlengang zwischen den beiden Linsen und mit einem Peltierkühler.The invention relates to a laser module with a Semiconductor laser in a housing, a two-lens Coupling optics for coupling to an optical fiber, a Isolator in the beam path between the two lenses and with a Peltier cooler.
Solche Lasermodule sind aus der EP 02 59 888 B1 und der DE 42 32 327 A1 bekannt. In beiden Schriften wird ein Laser auf einem Chipträger beschrieben, dessen Licht mit einer ersten Linse kollimiert wird und die Gehäusewand über ein schräg gestelltes Planfenster durchdringt. Das Gehäuse wird dabei mit dem Planfenster hermetisch dicht abgeschlossen. Außerhalb des Gehäuses wird das Licht mit einer zweiten Linse auf die Stirnfläche einer Lichtleitfaser fokussiert. In der zweiten Schrift wird zusätzlich noch ein Isolator beschrieben, der außerhalb des hermetisch eingeschlossenen Volumens in einem Stutzen sitzt, der in das Gehäuse hineinragt und an seinem Ende das Fenster trägt.Such laser modules are from EP 02 59 888 B1 and DE 42 32 327 A1 known. A laser is opened in both writings described a chip carrier, the light with a first Lens is collimated and the housing wall over an oblique angle posed plan window penetrates. The housing will be there hermetically sealed with the plan window. Outside the housing, the light is turned on with a second one Focused lens on the face of an optical fiber. In the second document there is also an isolator described the outside of the hermetically enclosed Volume sits in a nozzle that fits into the housing protrudes and carries the window at its end.
Nachteilhaft an den bekannten Lösungen ist, daß der Laserchip auf einem Chipträger sitzt, der selbst mit geometrischen Toleranzen behaftet ist. Diese Toleranzen zusammen mit den Toleranzen des Laserchips selbst und den Montagetoleranzen des Laserchips auf dem Chipträger und des Chipträgers auf einer Montageplatte bestimmen in ihrem Zusammenwirken die Position der lichtaussendenden Fläche des Lasers. Da die Strahltaille des aus dem Laser austretenden Strahlbündels, das näherungsweise als ein Gaußstrahl mit elliptischem Profil beschrieben werden kann, Taillenhalbachsen von unter einem Mikrometer hat, muß die Position der ersten Linse zum Laser im Submikrometerbereich genau festliegen. Um diese Genauigkeit zu erreichen, ist in den Lösungen nach dem Stand der Technik eine Justierung der Faser in axialer und lateraler Richtung vorgesehen. Der Toleranzbereich für die Position des Lasers zur ersten Linse wird dadurch auf ein Volumen von ca. 20·20·20 µm³ erweitert. Dieser erweiterte Toleranzbereich ist in lateraler Richtung durch den maximal zulässigen Kippwinkel von ca. 1° der Achse des Lichtbündels zu den Linsenachsen und der Faserachse und des zulässigen Strahlversatzes des kollimierten Strahls zur Fokussierungslinse bedingt. Zu große Kippwinkel als Folge eines zu großen Lateralversatzes zwischen Laser und Kollimierungslinse führen insbesondere bei asphärischen Linsen zu einer komahaften Verzerrung des Strahls. Eine zu große axiale Dejustage zwischen dem Laser und der Kollimierungslinse führt einmal zu einer Veränderung des Vergrößerungsverhältnisses, was zu Koppelverlusten gegenüber dem optimalen Vergrößerungsverhältnis führt. Zum anderen wird der Strahl im Bereich der Fokussierungslinse stärker aufgeweitet, so daß der Linsenrand oder auch schon der zwischen den Linsen befindliche Isolator einen Teil des Strahls abschneidet, was ebenfalls zu Koppelverlusten führen würde.A disadvantage of the known solutions is that the Laserchip sits on a chip carrier, which itself with geometric tolerances. These tolerances together with the tolerances of the laser chip itself and the Mounting tolerances of the laser chip on the chip carrier and the Determine chip carrier on a mounting plate in your Interact the position of the light emitting surface of the Lasers. Because the beam waist of the emerging from the laser Beam that approximates as a Gaussian beam elliptical profile can be described Has waist half axes of less than one micrometer, the Position of the first lens to the laser in the submicrometer range are exactly fixed. To achieve this accuracy, in the solutions according to the state of the art an adjustment of the Fiber is provided in the axial and lateral directions. Of the Tolerance range for the position of the laser to the first lens is thereby to a volume of approx. 20 · 20 · 20 µm³ expanded. This extended tolerance range is lateral Direction through the maximum permissible tilt angle of approx. 1 ° the axis of the light beam to the lens axes and the Fiber axis and the allowable beam offset of the collimated beam to the focusing lens. To Large tilt angles as a result of an excessive lateral offset lead between laser and collimation lens in particular with aspherical lenses to a coma-like distortion of the Beam. An excessive axial misalignment between the laser and the collimating lens leads to a change of the enlargement ratio, which leads to coupling losses compared to the optimal magnification ratio. To the another becomes the beam in the area of the focusing lens widened more, so that the lens edge or already the isolator located between the lenses is part of the Beam cuts off, which also lead to coupling losses would.
Auch der erweiterte Toleranzbereich des Lasers läßt sich mit den Montageverfahren nach dem Stand der Technik justagefrei nicht oder nur mit sehr hohen Kosten und Aufwand erreichen. In der vorbekannten Lösung DE 42 32 327 A1 sind daher mehrere Justagemöglichkeiten angegeben. Zum einen eine dreiachsige aktive Justage der Kollimierungslinse zum ersten Laser. Dann eine laterale Justierung der zweiten Linse, die gleichzeitig zur Einstellung der Strahlrichtung dient, damit der fokussierte Strahl die schräg geschnittene Faser unter dem richtigen Winkel trifft. Zusätzlich ist eine dreiachsige Justage der Faser vorgesehen.The extended tolerance range of the laser can also be used the assembly process according to the state of the art without adjustment not or only with very high costs and effort. In the previously known solution DE 42 32 327 A1 are therefore several adjustment options specified. On the one hand triaxial active adjustment of the collimation lens to the first Laser. Then a lateral adjustment of the second lens serves at the same time to adjust the beam direction the focused beam below the diagonally cut fiber the right angle. In addition, there is a three-axis Adjustment of the fiber provided.
In der vorbekannten Schrift EP 0 259 888 B1 ist die Laserdiode ebenfalls auf einem Chipträger montiert. Dieser wird zur Vorpositionierung in Nuten auf einer Trägerplatte in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung relativ zu einer Linse verschoben, die ebenfalls in dieser Trägerplatte montiert ist. Da der Laser während der Bewegung bei einer aktiven Justage in Betrieb sein muß, erhält man Probleme mit den Anschlußleitungen des Lasers und mit der Wärmeabfuhr. Auch nach der Fixierung liegt der Chipträger nur mit seiner Seitenfläche an eine Seitenfläche der Nut in der Trägerplatte an, was zu einem erheblichen Wärmewiderstand zwischen Chipträger und Trägerplatte und damit zu einer unzureichenden Laserkühlung führt.In the previously known document EP 0 259 888 B1 the Laser diode also mounted on a chip carrier. This is used for pre-positioning in grooves on a carrier plate in a plane perpendicular to the beam direction relative to one Lens shifted, which is also in this carrier plate is mounted. As the laser moves during a active adjustment must be in operation, you get problems with the connection lines of the laser and with the heat dissipation. Even after the fixation, the chip carrier only lies with its Side surface to a side surface of the groove in the Carrier plate on, resulting in significant thermal resistance between chip carrier and carrier plate and thus to one insufficient laser cooling.
In beiden vorbekannten Lösungen ist neben der Faserjustage noch eine aufwendige und kostenintensive Justage zwischen dem Laser und der ersten Linse erforderlich. In der vorbekannten Lösung DE 42 32 327 A1 wird zwischen den Linsen noch ein Isolator in den kollimierten Strahl gesetzt, um störende Rückwirkungen auf den Laser zu vermeiden. Solche Isolatoren wirken nach dem Faraday-Prinzip und haben in einem eng spezifizierten Wellenlängen- und Temperaturbereich eine sehr hohe Rückflußdämpfung, die je nach Typ (einstufig oder zweistufig) 30 bis 60 dB betragen kann. Verläßt man jedoch den spezifizierten Temperatur- oder Wellenlängenbereich, so nimmt die Rückflußdämpfung stark ab, was zu Fehlfunktionen des Lasers führen kann. Die Konstanz der Wellenlänge des Lasers wird in der vorbekannten Lösung durch eine Peltier-Regelung mit Thermistor-Temperaturmessung in Lasernähe erreicht. Der Isolator ist aber in einem Stutzen montiert, der in die Gehäusewand eingelassen ist. Bei Änderungen der Gehäusetemperatur ändert sich daher auch die Temperatur des Isolators mit. Bei einer Änderung der Umgebungstemperatur oder der Laserleistung wird die Temperatur des Lasers über die Peltierregelung konstant gehalten. Dabei wird dem Laser über das Peltierelement Wärme entzogen und dem Gehäuse zugeführt. Da der Isolator mit dem Gehäuse in thermischem Kontakt ist, machen sich dort Temperaturschwankungen sogar noch verstärkt bemerkbar, wodurch die Dämpfungseigenschaften des Isolators verschlechtert werden.In both previously known solutions, in addition to fiber adjustment still a complex and costly adjustment between the laser and the first lens. In the previously known solution DE 42 32 327 A1 is between the lenses another isolator placed in the collimated beam to avoid disturbing effects on the laser. Such Isolators work according to the Faraday principle and have in a narrowly specified wavelength and temperature range a very high return loss which, depending on the type (single stage or two-stage) can be 30 to 60 dB. You leave however the specified temperature or Wavelength range, the return loss decreases sharply, which can cause the laser to malfunction. The constancy the wavelength of the laser is in the previously known solution through a Peltier control with thermistor temperature measurement reached near the laser. But the isolator is in one Mounted socket, which is embedded in the housing wall. When the housing temperature changes, it also changes the temperature of the insulator with. If the Ambient temperature or the laser power is the Temperature of the laser constant via the Peltier control held. Thereby the laser gets warmth over the Peltier element withdrawn and fed to the housing. Since the isolator with the Housing in thermal contact make itself there Temperature fluctuations are even more noticeable, thereby reducing the isolator's damping properties deteriorate.
Ein weiteres Problem ist, daß zur Ankopplung eines Halbleiterlasers an eine Einmodenfaser eine abbildende Koppeloptik erforderlich ist, da üblicherweise die Feldverteilung eines Lasers nicht mit der einer Faser übereinstimmt. Eine Einmodenfaser hat üblicherweise ein nahezu gaußförmiges Modenfeld mit einem Radius von ca. 4,5 µm und zirkularer Symmetrie. Ein Halbleiterlaser hat typischerweise ein elliptisches Modenfeld mit einer großen Halbachse von ca. 2 µm und einer kleinen Halbachse von cs. 0,5 µm. Muß ein Laser mit einem stark elliptischen Fernfeld verwendet werden, so lassen sich die Modenfelder der Lasers und der Faser mit einer rotationssymmetrischen Optik nicht vollständig aufeinander abbilden, wodurch der maximal erreichbare Koppelwirkungsgrad begrenzt wird.Another problem is that for coupling a Semiconductor laser to a single-mode fiber an imaging Coupling optics is required, as is usually the case Field distribution of a laser not with that of a fiber matches. A single mode fiber usually has one almost Gaussian mode field with a radius of approx.4.5 µm and circular symmetry. A semiconductor laser has typically an elliptical mode field with a large one Semi-axis of approx. 2 µm and a small semi-axis of cs. 0.5 µm. Must be a laser with a strongly elliptical far field the mode fields of the lasers can be used and the fiber with a rotationally symmetrical optic is not fully map to each other, making the maximum achievable coupling efficiency is limited.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Lasermodul anzugeben bei dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.It is an object of the invention to provide a laser module which the disadvantages described above are avoided.
Die Aufgabe wird durch ein Lasermodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The task is carried out by a laser module with the characteristics of Claim 1 solved. Advantageous further developments are specified in the subclaims.
Die vorliegende erfindungsgemäße Lösung vermeidet die oben beschriebenen Mängel der vorbekannten Lösungen und führt noch weitere Verbesserungen ein. In der vorliegenden Lösung ist nur ein aktiver Justageschritt an einer unkritischen Stelle, nämlich an der Lichtwellenleiterseite erforderlich, die bei den vorbekannten Lösungen ebenfalls erforderlich ist. Hier liegen die erforderlichen Toleranzen im Bereich von 2 µm in den lateralen Richtungen und von 30 µm in axialer Richtung. Diese Toleranzen lassen sich durch bekannte Flansch-Justage-Verfahren und bei Fixierung mit Laserschweißpunkten einhalten.The present solution according to the invention avoids the above Defects of the known solutions described and leads other improvements. In the present solution is only an active adjustment step on an uncritical one Point, namely required on the optical fiber side, which is also required for the previously known solutions is. Here the required tolerances are in the range of 2 µm in the lateral directions and of 30 µm in axial direction. These tolerances can be known flange adjustment method and with fixation with Adhere to laser welding spots.
Zur Anpassung des elliptischen Modenfeldes des Halbleiterlasers auf das zirkulare Moenfeld der Faser setzt man eine Abbildungslinse mit einer zylindrischen Komponente ein, um für die beiden Halbachsen des Lasermodenfeldes unterschiedliche Vergrößerungen zu erreichen. Damit die zylindrische Mikrolinse nicht justiert werden muß, kann die erste Nut, die für die erste Linse und den Isolator vorgesehen ist, eine Verbreiterung, die beispielsweise einen ebenen Nutboden hat, aufweisen. Diese Verbreiterung ist durch anisotropes Ätzen herstellbar. Die zylindrische Mikrolinse kann in die entstandene Verbreiterung eingelegt werden und ist durch die schrägen Seitenwände in dieser zentriert.To adjust the elliptical mode field of the Semiconductor laser relies on the circular Moenfeld of the fiber an imaging lens with a cylindrical component in order for the two semiaxes of the laser mode field to achieve different magnifications. So that cylindrical microlens need not be adjusted, the first groove that for the first lens and the isolator is provided, a widening, for example, a has a flat groove bottom. This broadening is can be produced by anisotropic etching. The cylindrical Microlens can be inserted into the broadening and is due to the sloping side walls in this centered.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Lasermoduls wird anhand der Zeichnungen erläutert.An exemplary embodiment of the laser module according to the invention will be explained with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Lasermodul mit Butterfly-Gehäuse, Fig. 1 is a plan view of an inventive laser module with butterfly package,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch obiges Lasermodul, Fig. 2 is a longitudinal section through the above laser module,
Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung von Fig. 1, Fig. 3 shows an enlarged detail of Fig. 1,
Fig. 4 die Aufnahme für den Laser mit Ausrichtungsmarken, Fig. 4, the holder for the laser alignment marks,
Fig. 5 bis 7 Draufsicht, Seitenansicht und Ansicht der ersten Linse mit Isolator im eingelegten Zustand. Fig. 5 to 7 plan view, side view and view of the first lens with the insulator in the inserted state.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in Draufsicht und Längsschnitt erfindungsgemäß ein Lasermodul. Der Laserchip 1 ist direkt auf einer mikromechanisch strukturierten Silizium- Trägerplatte 2 montiert. Diese Trägerplatte 2 ist in größerem Maßstab in Fig. 3 dargestellt. Die Silizium- Trägerplatte 2 besitzt zwei anisotrop geätzte Nuten 3 und 4. Die Nut 3 dient zur Aufnahme der Kollimierungslinse 5 und des Isolators 6. Außerdem weist die Nut 3 eine Verbreiterung auf. Diese Verbreiterung ist durch anisotropes Ätzen hergestellt. Sie weist einen ebenen Nutgrund auf und ist am laserseitigen Ende der Nut 3 angeordnet. In dieser Verbreiterung befindet sich eine zylindrische Mikrolinse 40, die zur Anpassung des elliptischen Modenfeldes des Halbleiterlasers 1 an das zirkulare Modenfeld der Faser 31 dient. Die zylindrische Mikrolinse 40 wird in der Verbreiterung der Nut 3 gehalten, indem die Verbreiterung derart dimensioniert ist, daß die Mikrolinse 40 auf dem Nutboden aufliegt und durch die geneigten Seitenwände justiert ist. Als Kollimierungslinse kann zur Vermeidung sphärischer Aberrationen und damit zur Verbesserung des Koppelwirkungsgrades vorzugsweise eine asphärische Linse verwendet werden. Die Linse 5 besitzt einen zylindrischen Rand 7 oder eine Fassung mit einem zylindrischen Rand 7. Der Außendurchmesser der Linse 5 bzw. der Linsenfassung ist vorzugsweise ebenso groß wie der Außendurchmesser des ebenfalls zylindrischen Isolators 6. Es ist jedoch auch möglich, daß Linse und Isolator unterschiedliche Außendurchmesser haben, in diesem Fall muß die Nut 6 in den Bereichen für die Linsenaufnahme und für die Isolatoraufnahme unterschiedliche Breiten haben. Die Nut 4 dient zur Aufnahme der Monitordiode 8, die zur Leistungsregelung des Laserchips 1 erforderlich ist. Diese Monitordiode 8 wird auf der dem Laser abgewandten schrägen Rückwand 9 der Nut 4 montiert. Der Laser 1 sitzt auf dem zwischen den Nuten 3 und 4 verbleibenden Steg 10. Die Breite des Steges entspricht ungefähr der Länge des Lasers. Bei Lasern, deren strahlende Zone auf der Oberseite des Chips liegt (Epi-up), ist es vorteilhaft, die Breite a des Steges 10 ebenso groß oder einige Mikrometer größer als die Chiplänge 1 des Laserchips zu wählen, da dann auch bei etwaigen Montagetoleranzen die Grundfläche des Lasers überall in gutem Wärmekontakt mit dem Siliziumsubstrat ist. Bei Lasern, deren strahlende Zone auf der Unterseite liegt (Epi-down), ist es dagegen vorteilhaft, wenn die Stegbreite a gleichgroß oder um wenige Mikrometer kleiner als die Chiplänge ist, damit bei einer etwaigen Montagetoleranz der Strahl nicht durch das Siliziumsubstrat abgeschattet wird. Figs. 1 and 2 show in plan view and longitudinal section according to the invention a laser module. The laser chip 1 is mounted directly on a micromechanically structured silicon carrier plate 2 . This carrier plate 2 is shown on a larger scale in FIG. 3. The silicon carrier plate 2 has two anisotropically etched grooves 3 and 4 . The groove 3 serves to receive the collimation lens 5 and the isolator 6 . In addition, the groove 3 has a widening. This broadening is produced by anisotropic etching. It has a flat groove base and is arranged on the laser-side end of the groove 3 . In this widening there is a cylindrical microlens 40 , which serves to adapt the elliptical mode field of the semiconductor laser 1 to the circular mode field of the fiber 31 . The cylindrical microlens 40 is held in the widening of the groove 3 by the widening being dimensioned such that the microlens 40 rests on the bottom of the groove and is adjusted by the inclined side walls. An aspherical lens can preferably be used as the collimating lens in order to avoid spherical aberrations and thus to improve the coupling efficiency. The lens 5 has a cylindrical edge 7 or a mount with a cylindrical edge 7 . The outside diameter of the lens 5 or the lens holder is preferably as large as the outside diameter of the likewise cylindrical insulator 6 . However, it is also possible for the lens and isolator to have different outside diameters, in which case the groove 6 must have different widths in the areas for the lens mount and for the isolator mount. The groove 4 serves to receive the monitor diode 8 , which is required for regulating the power of the laser chip 1 . This monitor diode 8 is mounted on the oblique rear wall 9 of the groove 4 facing away from the laser. The laser 1 sits on the web 10 remaining between the grooves 3 and 4 . The width of the web corresponds approximately to the length of the laser. In the case of lasers whose radiating zone lies on the top of the chip (epi-up), it is advantageous to choose the width a of the web 10 to be just as large or a few micrometers larger than the chip length 1 of the laser chip, since then even with any assembly tolerances Base area of the laser is in good thermal contact with the silicon substrate everywhere. In the case of lasers whose radiating zone is on the underside (epi-down), on the other hand, it is advantageous if the web width a is the same size or a few micrometers smaller than the chip length, so that the beam is not shadowed by the silicon substrate in the event of a mounting tolerance.
Nach dem Stand der Technik werden Laserchips auf Wärmesenken mit senkrecht zur Montagefläche befindlichen Stirnflächen montiert. Bei Epi-down-Lasern muß dabei die Kante zwischen der vorderen Stirnfläche und der Montagefläche möglichst scharf sein, damit einerseits ein guter Wärmeübergang zwischen Laserchip und Wärmesenke vorhanden ist und andererseits der Laserstrahl durch die Wärmesenke nicht abgeschattet wird. Die senkrechte Begrenzung der Wärmesenke nach dem Stand der Technik schnürt aber den Wärmefluß vom Laser über die Wärmesenke ein, wodurch auch bei gut leitenden Wärmesenken, wie zum Beispiel Diamant, der Wärmewiderstand erhöht wird. Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind dagegen die vor den Laserspiegeln befindlichen Seitenflächen der Nuten 3 und 4 infolge der Geometrie der anisotropen Ätzung von Silizium um den Böschungswinkel α = 54,7° gegenüber der Substratoberfläche geneigt. Dieser Winkel ist einerseits groß genug, damit auch bei Lasern mit einem sehr breiten Fernfeld kein Licht abgeschattet werden kann. Andererseits ist der Winkel wesentlich kleiner als 90° wie bei den Wärmesenken nach dem Stand der Technik. Dadurch können sich die Wärmeflußlinien über die Grundfläche des Laserchips hinaus ausbreiten, was zu einer Verringerung des Wärmewiderstandes führt. Die durch einen hochpräzisen anisotropen Ätzprozeß hergestellten Kanten zwischen der als Montagefläche dienenden Oberfläche des Substrates und den Seitenflächen der Nuten 3 und 4 sind sehr scharf und in ihrer Position hochgenau. Dadurch ist es möglich, die Breite a des Steges 10 mit einer Toleranz von wenigen Mikrometern an die Länge 1 des Laserchips anzupassen und somit einen guten Wärmekontakt zwischen dem Laserchip und dem Siliziumsubstrat ohne Gefahr der Strahlabschattung zu erreichen.According to the prior art, laser chips are mounted on heat sinks with end faces perpendicular to the mounting surface. In the case of epi-down lasers, the edge between the front end face and the mounting surface must be as sharp as possible, so that on the one hand there is good heat transfer between the laser chip and heat sink and on the other hand the laser beam is not shadowed by the heat sink. However, the vertical limitation of the heat sink according to the prior art constricts the heat flow from the laser via the heat sink, as a result of which the heat resistance is increased even in the case of highly conductive heat sinks such as, for example, diamond. In the solution according to the invention, however, the side surfaces of the grooves 3 and 4 located in front of the laser mirrors are inclined by the angle of repose α = 54.7 ° relative to the substrate surface due to the geometry of the anisotropic etching of silicon. On the one hand, this angle is large enough so that no light can be shadowed even with lasers with a very wide far field. On the other hand, the angle is much smaller than 90 ° as in the heat sinks according to the prior art. As a result, the heat flow lines can spread beyond the base area of the laser chip, which leads to a reduction in the thermal resistance. The edges produced by a highly precise anisotropic etching process between the surface of the substrate serving as the mounting surface and the side surfaces of the grooves 3 and 4 are very sharp and their position is highly precise. This makes it possible to adapt the width a of the web 10 to the length 1 of the laser chip with a tolerance of a few micrometers and thus to achieve good thermal contact between the laser chip and the silicon substrate without the risk of beam shadowing.
Die Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem mittleren Bereich des Steges 10, der für die Aufnahme des Lasers 1 vorgesehen ist. An beiden Seiten der Aufnahmefläche ist je eine V-Nut 11 und 11′ anisotrop geätzt, die als Marken zur Ausrichtung des Laserchips dienen. Bei der Montage wird der Laser unter visueller Beobachtung zwischen diese beiden Marken positioniert. Dabei muß der Laser nicht im aktiven Betrieb sein wie im Stand der Technik, sondern es genügt hier eine passive Justage, die wesentlich einfacher durchgeführt werden kann, da der Laser noch nicht kontaktiert sein muß. Bei der passiven Justage nach den Marken 11 und 11′ ist eine Positioniergenauigkeit von wenigen Mikrometern möglich. Da die Marken 11 und 11′ im gleichen anisotropen Ätzprozeß wie die Nuten 3 und 4, hergestellt werden, liegt ihre gegenseitige Lagetoleranz im Bereich von weniger als 2 Mikrometern. Dadurch erhält man eine sehr genaue Ausrichtung zwischen dem Laser und der Kollimierungslinse 5 sowie dem Isolator 6. FIG. 4 shows an enlarged section from the central area of the web 10 , which is provided for receiving the laser 1 . On both sides of the receiving surface is a V-groove 11 and 11 'anisotropically etched, which serve as marks for aligning the laser chip. During assembly, the laser is positioned between these two marks under visual observation. The laser does not have to be in active operation as in the prior art, but a passive adjustment is sufficient here, which can be carried out much more easily since the laser does not yet have to be contacted. With the passive adjustment according to the marks 11 and 11 ', a positioning accuracy of a few micrometers is possible. Since the marks 11 and 11 'are produced in the same anisotropic etching process as the grooves 3 and 4 , their mutual position tolerance is in the range of less than 2 micrometers. This gives a very precise alignment between the laser and the collimating lens 5 and the isolator 6 .
Die Position der Kollimierungslinse 5 wird durch die Lage und Größe der Nut 3 eindeutig festgelegt. Die Dicke d des Silizium-Substrates 2 wird dabei abhängig vom Radius der Kollimierungslinse so gewählt, daß die berührende Mantellinie noch auf den Seitenflanken der Nut 3 aufliegen. In den Fig. 5, 6 und 7 ist die eingelegte Linse mit Isolator in drei Schnittebenen mit Ansicht von oben, von der Seite und von vorn dargestellt. Um einen kleinen Arbeitsabstand zwischen dem Laser und der Kollimierungslinse zu erreichen ist hier die Fassung der Kollimierungslinse in ihrem vorderen Teil konusartig geformt und damit an die schräge Stirnflanke der Nut 3 angepaßt. Die Höhe der Linsenmitte muß an die Höhe h der strahlenden Fläche des Lasers angepaßt sein. Die Höhe der Linsenmitte kann über die Nutbreite b der Nut 3 eingestellt werden. Aufgrund der kristallographischen Eigenschaften des Siliziums berechnet sich der Böschungswinkel α zuThe position of the collimation lens 5 is clearly defined by the position and size of the groove 3 . The thickness d of the silicon substrate 2 is selected depending on the radius of the collimating lens so that the contacting surface line still lies on the side flanks of the groove 3 . In Figs. 5, 6 and 7, the inserted lens insulator in three section planes with top view, shown from the side and from the front. In order to achieve a small working distance between the laser and the collimating lens, the frame of the collimating lens is conically shaped in its front part and thus adapted to the oblique end flank of the groove 3 . The height of the center of the lens must be adapted to the height h of the radiating surface of the laser. The height of the lens center can be adjusted via the groove width b of the groove 3 . The slope angle α is calculated based on the crystallographic properties of the silicon
α = arctan (√2) = 54,7° (1)α = arctan (√2) = 54.7 ° (1)
Die Nutbreite b, die erforderlich ist, damit die Mitte der Linse mit einem Außenradius r in der Höhe h liegt, istThe groove width b, which is required so that the center of the Lens with an outer radius r is at height h
b = r·√6 - h·√2 (2)b = r · √6 - h · √2 (2)
Die den Zylindermantel berührenden Böschungslinien liegen in einer Tiefe vonThe slope lines touching the cylinder surface lie in a depth of
my = r/√3 - h (3)m y = r / √3 - h (3)
und haben einen Abstand vonand have a distance of
mx = r·√8/3 (4)m x = r · √8 / 3 (4)
von einander.from each other.
Für einen Linsenradius von, 1500 µm und einer Höhe der optischen Achse über der Substratoberfläche von h = 100 µm für Epi-up-Laser erhält manFor a lens radius of, 1500 µm and a height of optical axis over the substrate surface of h = 100 µm for epi-up lasers you get
b = 3533 µm
my = 766 µm
mx = 2449 µmb = 3533 µm
m y = 766 µm
m x = 2449 µm
Bei h = 0 für Epi-down-Laser erhält manWith h = 0 for epi-down lasers one gets
b = 3674 µm
my = 866 µm
mx = 2449 µmb = 3674 µm
m y = 866 µm
m x = 2449 µm
Da die berührenden Mantellinien in einer Tiefe von 766 µm bzw. 866 µm unter der Substratoberfläche liegen, muß das Substrat mindestens diese Dicke haben, damit die Berührlinien noch innerhalb der Seitenflächen der Nut und nicht auf der unteren Kante liegen. Eine Substratdicke von 1000 µm ist zur Aufnahme der Linse ausreichend. Die Nut muß dann ganz durchgeätzt werden, wobei die Linse unter die Substratunterseite etwas hinaussteht. Die unter der Silizium-Trägerplatte befindliche Montageplatte 41 auf dem Peltierelement 42 muß im Bereich der Nut eine entsprechende Ausnehmung besitzen. Diese Ausnehmung kann entfallen, wenn die Silizium-Trägerplatte dicker ist als der Linsenradius. Einen hochgenauen axialen Anschlag für die Kollimierungslinse erhält man durch die Stirnfläche der Nut 3. Auf diese Weise läßt sich die Kollimierungslinse mit der durch die Silizium-Mikromechanik erreichbaren hohen Genauigkeit relativ zum Laser in allen drei Koordinaten justagefrei positionieren. Die Fixierung kann durch ein bekanntes Verfahren, wie zum Beispiel Kleben, geschehen. Vorteilhaft dabei ist, daß in der Auflagelinie der Klebespalt die Breite Null besitzt und daher keine Dejustage bei einer Schrumpfung des Klebers auftreten kann.Since the contacting surface lines lie at a depth of 766 µm or 866 µm below the substrate surface, the substrate must have at least this thickness so that the contact lines are still within the side surfaces of the groove and not on the lower edge. A substrate thickness of 1000 µm is sufficient to hold the lens. The groove must then be completely etched through, with the lens protruding slightly below the underside of the substrate. The mounting plate 41 located on the Peltier element 42 under the silicon carrier plate must have a corresponding recess in the region of the groove. This recess can be omitted if the silicon carrier plate is thicker than the lens radius. A high-precision axial stop for the collimation lens is obtained through the end face of the groove 3 . In this way, the collimation lens can be positioned without adjustment in all three coordinates with the high accuracy that can be achieved by silicon micromechanics relative to the laser. The fixation can be done by a known method, such as gluing. It is advantageous here that the adhesive gap has a width of zero in the support line and therefore no misalignment can occur when the adhesive shrinks.
Die Silizium-Trägerplatte 2 dient außerdem zur Aufnahme der elektrischen Kontaktierungsleitungen für den Lager 1 und die Photodiode 8. Für Hochfrequenzanwendungen kann auf der Siliziumoberfläche eine Isolationsschicht beispielsweise aus Polyimid in einer Dicke von 10-20 µm aufgebracht werden, Diese Isolationsschicht dient als Dielektrikum für HF- Microstrip-Wellenleiter oder für koplanare HF-Wellenleiter. Bei Microstrip-Wellenleitern ist zwischen dem Silizium- Substrat und der Isolationsschicht eine ganzflächige Metallisierungsschicht als Masse. Bei koplanaren HF- Leitungen ist der elektrische Wellenleiter 13 von zwei seitlichen Masseleitungen 14 und 14′ umgeben. Außerdem können auf dem Siliziumsubstrat noch weitere Bauteile montiert werden. So läßt sich der Thermistor 15 direkt in der Nähe des Lasers auf dem Siliziumsubstrat mit gutem Wärmekontakt zum Laser montieren. Auch Kondensatoren, Widerstände und Spulen, die für die HF-Ansteuerung des Lasers erforderlich sind oder sogar ein integrierter Ansteuerungsbaustein, lassen sich in unmittelbarer Nähe des Lasers auf dem Silizium-Substrat montieren. Da in der erfindungsgemäßen Lösung die HF-Leitungen bis unmittelbar an die Laserdiode herangeführt werden können, können so Frequenzen bis zu 30 GHz erreicht werden. Demgegenüber lassen sich nach dem Stand der Technik, wenn die HF- Leitungen von Ansteuerungsschaltungen außerhalb des Gehäuses über Gehäusedurchführungen und Bonddrähten zum Laser geführt werden müssen, nur etwa 2-3 GHz erreichen.The silicon carrier plate 2 also serves to accommodate the electrical contact lines for the bearing 1 and the photodiode 8 . For high-frequency applications, an insulation layer, for example made of polyimide, can be applied in a thickness of 10-20 μm on the silicon surface. This insulation layer serves as a dielectric for HF microstrip waveguides or for coplanar HF waveguides. In microstrip waveguides, there is a full-area metallization layer as a mass between the silicon substrate and the insulation layer. With coplanar RF lines, the electrical waveguide 13 is surrounded by two lateral ground lines 14 and 14 '. In addition, other components can be mounted on the silicon substrate. In this way, the thermistor 15 can be mounted directly near the laser on the silicon substrate with good thermal contact with the laser. Capacitors, resistors and coils, which are required for the HF control of the laser or even an integrated control module, can also be mounted on the silicon substrate in the immediate vicinity of the laser. Since in the solution according to the invention the HF lines can be led directly to the laser diode, frequencies of up to 30 GHz can be achieved. In contrast, according to the prior art, if the HF lines of control circuits have to be routed outside the housing via housing bushings and bonding wires to the laser, only about 2-3 GHz can be achieved.
Bei den Lösungen nach dem Stand der Technik wird zur hermetisch dichten Lichtdurchführung ein schräg gestelltes Planfenster in den Strahlengang zwischen den Linsen gebracht. Im Ausführungsbeispiel wird die Fokussierungslinse 20 hermetisch dicht in die Öffnung 21 der Gehäusestirnwand 22 eingelötet oder eingeschweißt. Zum Einschweißen ist die Fokussierungslinse dazu mit einer schweißbaren Metallfassung versehen. Zum Einlöten hat die Linse ebenfalls eine Metallfassung mit einer lötbaren Beschichtung oder die lötbare Beschichtung ist direkt auf dem Rand der ungefaßten Linse aufgebracht. Dadurch kann das Gehäuse 23 gegenüber den Gehäusen, die für Ausführungen nach dem Stand der Technik erforderlich sind, wesentlich kostengünstiger sein, da statt des Stutzens mit dem schrägen Planfenster nur eine Öffnung 21 in der Gehäusestirnwand 22 aufgebracht werden muß. Die Linse 20 fokussiert das Lichtbündel auf die Stirnfläche 30 einer Faser 31. Zur Vermeidung von Rückreflexionen kann die Stirnfläche 30 gegenüber der optischen Achse geneigt sein. Die Faser 31 muß dann entsprechend der Lichtbrechung an der geneigten Stirnfläche ebenfalls unter einem schrägen Winkel in einer Führungshülse 31 gefaßt sein. Mit dieser Führungshülse, die in einer Buchse 33 läuft, kann die Faser axial justiert werden. Zur lateralen Justage wird die Stirnfläche der Buchse 33 auf der Stirnfläche einer Abstandshülse 34 verschoben. Die Fixierung der axialen und lateralen Position geschieht vorzugsweise durch Laserschweißen. Die axiale und laterale Justage sowie die Fixierung kann vorteilhafterweise in einem Arbeitsgang mit automatischer Steuerung durchgeführt werden. Dieser automatisierbare Arbeitsschritt ist der einzige aktive Justageschritt, der bei der erfindungsgemäßen Lösung erforderlich ist. Die Toleranzen sind dabei so groß, daß eine Dejustage beim Laserschweißen nur einen sehr geringen Einfluß auf den Koppelwirkungsgrad hat.In the solutions according to the prior art, a slanted plan window is brought into the beam path between the lenses for hermetically sealed light transmission. In the exemplary embodiment, the focusing lens 20 is hermetically sealed or welded into the opening 21 of the housing end wall 22 . For welding, the focusing lens is provided with a weldable metal frame. For soldering, the lens also has a metal frame with a solderable coating or the solderable coating is applied directly to the edge of the unmounted lens. As a result, the housing 23 can be considerably less expensive than the housings that are required for designs according to the prior art, since instead of the socket with the oblique plan window, only one opening 21 has to be made in the housing end wall 22 . The lens 20 focuses the light beam on the end face 30 of a fiber 31 . To avoid back reflections, the end face 30 can be inclined with respect to the optical axis. The fiber 31 must then be prepared according to the refraction of light at the inclined end surface is also at an oblique angle in a guide sleeve 31st With this guide sleeve, which runs in a socket 33 , the fiber can be adjusted axially. For lateral adjustment, the end face of the sleeve 33 is displaced on the end face of a spacer sleeve 34 . The axial and lateral positions are preferably fixed by laser welding. The axial and lateral adjustment and the fixation can advantageously be carried out in one operation with automatic control. This automatable work step is the only active adjustment step that is required in the solution according to the invention. The tolerances are so large that misalignment during laser welding has only a very slight influence on the coupling efficiency.
Claims (9)
daß im Gehäuse eine Silizium-Trägerplatte (2) vorgesehen ist, die mittels anisotroper Ätztechnik mikromechanisch strukturiert ist,
daß eine erste Nut (3) vorgesehen ist, die zur Aufnahme der ersten Linse (5) und des Isolators (6) dient,
daß fluchtend zur ersten Nut (3) eine zweite Nut (4) vorgesehen ist, die zur Aufnahme der Monitordiode (8) dient,
daß der Halbleiterlaser (1) auf dem Steg (1) zwischen den Enden der Nuten (3, 4) auf der Silizium-Trägerplatte (2) montiert ist,
daß eine zylindrische Mikrolinse (40) zwischen dem Halbleiterlaser (1) und der ersten Linse vorgesehen ist und daß eine Verbreiterung der ersten Nut (3) vorgesehen ist, in die die zylindrische Mikrolinse (40) eingelegt ist.1. Laser module with a semiconductor laser in a housing, with a two-lens coupling optics for coupling light into an optical waveguide, in particular a single-mode fiber, with an isolator in the beam path between the lenses of the coupling optics, with a monitor diode and with a Peltier cooler, characterized in that
that a silicon carrier plate ( 2 ) is provided in the housing, which is micromechanically structured by means of anisotropic etching technology,
that a first groove ( 3 ) is provided which serves to receive the first lens ( 5 ) and the insulator ( 6 ),
that a second groove ( 4 ) is provided in alignment with the first groove ( 3 ) and serves to receive the monitor diode ( 8 ),
that the semiconductor laser ( 1 ) is mounted on the web ( 1 ) between the ends of the grooves ( 3 , 4 ) on the silicon carrier plate ( 2 ),
that a cylindrical microlens ( 40 ) is provided between the semiconductor laser ( 1 ) and the first lens and that a widening of the first groove ( 3 ) is provided, into which the cylindrical microlens ( 40 ) is inserted.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102007063438A1 (en) * | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Eagleyard Photonics Gmbh | Laser module, has cylindrical lens mounted on heat sink in front of laser such that radiation field of high-power laser diode does not cross heat sink, and laser chip fastened downwards on sub carrier with active zone |
-
1994
- 1994-09-15 DE DE19944432794 patent/DE4432794A1/en not_active Ceased
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DE102007063438A1 (en) * | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Eagleyard Photonics Gmbh | Laser module, has cylindrical lens mounted on heat sink in front of laser such that radiation field of high-power laser diode does not cross heat sink, and laser chip fastened downwards on sub carrier with active zone |
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