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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein optoelektronische Anordnungen
mit optischen Komponenten, sowie Verfahren zur Herstellung dieser;
im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine Einheit mit
optischen Komponenten, die an einem quasiplanaren Substrat und einer
Biegung angebracht sind, sowie Verfahren zur Herstellung der Einheit.
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STAND DER
TECHNIK
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Dicht
verschlossene Einheiten bzw. Gehäuse
werden benötigt,
um Lichtwellenleiter unterzubringen, zu schützen, zu koppeln und um optoelektronische
Komponenten elektrisch zu verbinden bzw. anzuschließen. Optoelektronische
Gehäuse
sehen eine Ausrichtung im submikroskopischen Bereich zwischen optischen
Elementen ebenso vor wie elektrische Verbindungen mit hoher Geschwindigkeit,
eine ausgezeichnete Wärmeausstrahlung
und eine hohe Zuverlässigkeit.
Die Bereitstellung dieser Merkmale hat zu optoelektronischen Gehäusen bzw.
Einheiten geführt,
die eine Stufe größer, teurer
und schwieriger herzustellen sind als elektronische Einheiten bzw. Gehäuse, wobei
dies im Besonderen für
Bausteine bzw. Vorrichtungen mit Faserkopplung gilt. Darüber hinaus
sind die aktuellen Designs bzw. Bauweisen optoelektronischer Einheiten
und die zugehörigen Fertigungsprozesse
nur schlecht für
die Automatisierung geeignet, da die Hochleistungs-Schmetterlingseinheiten
bzw. Flügeleinheiten
durch eine große
Anzahl mechanischer Bauteile gekennzeichnet sind (Hilfsträger, Träger, Zwingen...)
sowie dreidimensionale (3D) Ausrichtungsanforderungen sowie eine schlechte
mechanische Zugängigkeit.
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Das
U.S. Patent US-A-4,953,006 an Kovatz offenbart eine Einheit bzw.
ein Gehäuse
für eine
Vorrichtung bzw. einen Baustein mit Rand- bzw. Kantenverbindung.
Die Einheit weist eine Abdeckung mit einem Fenster auf, so dass
der optoelektronische Baustein, wie zum Beispiel ein Laser, mit
externer Optik gekoppelt werden kann, wie zum Beispiel einer Linse oder
einem Lichtwellenleiter. Diese Einheit bzw. dieses Gehäuse sieht
zwar einen luftdichten Verschluss und elektrische Verbindungen mit
hoher Geschwindigkeit vor, allerdings bietet es keine Möglichkeit
zur Anbringung und zur Ausrichtung von Kollimations- oder Kopplungsoptik
oder Lichtwellenleitern.
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Das
U.S. Patent US-A-5,005,178 an Kluitmans und Tjassens und das U.S.
Patent US-A-5,227,646 an Shigeno offenbaren ebenfalls Einheiten
bzw. Gehäuse
für optische
und optoelektronische Komponenten. Kluitmans et al. erörtert eine Einheit
für eine
mit einem Lichtwellenleiter gekoppelte Laserdiode. Die Einheit weist
eine Leitstange auf, so dass der Laser mit hoher Geschwindigkeit
eingesetzt werden kann. Shigeno beschreibt einen Kühlkörper zum
Kühlen
einer eingeschlossenen Laserdiode, wobei die Laserdiode vorzugsweise
mit einem Lichtwellenleiter gekoppelt ist. Bei beiden oben genannten
Patenten ist es jedoch schwierig, die Laserdiode bei der Konstruktion
der Einheit mit dem Lichtwellenleiter auszurichten. Beide Bauweisen
verwenden zahlreiche Bauteile in komplexen 3D-Anordnungen und sind für eine automatisierte
Montage ungeeignet. Das U.S. Patent US-A-5,628,196 an Farmer offenbart
eine Einheit mit einem Kühlkörper für einen Halbleiterlaser,
wobei keine effiziente Einrichtung bzw. kein effizientes Mittel
zur Kopplung des Lasers mit anderer Optik bereitgestellt werden.
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Das
französische
Patent FR-A-2690996 offenbart eine Einheit einer optoelektronischen
Anordnung mit einem Substrat, einem ersten optischen Element, das
an dem Substrat angebracht ist, und einer Biegung bzw. Krümmung, die
es bewirkt, dass sich die Schenkel an der Krümmung bzw. Biegung auseinander
spreizen, so dass eine optische Achse eines Lichtwellenleiters in
optischer Ausrichtung mit dem ersten optischen Element angebracht
wird, wobei die Schenkel der Biegung an dem Substrat angebracht
sind. Die Offenbarung dieses Referenzpatents eignet sich nicht zur
Feinabstimmung der optischen Ausrichtung zwischen dem Faserleiter
und dem ersten optischen Element.
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Die
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung überwinden
die Einschränkungen
gemäß dem Stand
der Technik.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen
Einheit gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 1.
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Die
bevorzugten Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der nachstehenden genauen Beschreibung
und den beigefügten
Zeichnungen der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
umfassender verständlich,
wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die besonderen
Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist, die jedoch nur der Erläuterung
und dem Verständnis
dienen. Es zeigen:
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1 eine
optoelektronische Gehäuseeinheit;
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2A eine seitliche Schnittansicht der Rahmeneinheit
aus 1 vor der Planarisierung;
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2B eine Rahmeneinheit aus 2A nach
der Planarisierung des Rahmens und eine erhöhten Plattform;
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2C die Positionierung von zwei optischen
Komponenten durch Be- und Entladeautomatisierung bzw. Bestückungsautomatisierung
auf dem planarisierten Substrat;
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2D die resultierende optische Ausrichtung
des Elements in der vertikalen Ebene;
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3A eine
Perspektivansicht der Einheit vor der Ausrichtung der Biegung mit
einem entfernbaren Positionierungsinstrument;
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3B eine
Seitenansicht der Einheit vor der Ausrichtung der Biegung;
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3C eine
Draufsicht der Einheit vor der Ausrichtung der Biegung;
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4A eine
Perspektivansicht der Einheit mit der ausgerichteten Biegung unter
Verwendung des entfernbaren Positionierungsinstruments;
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4B eine
Seitenansicht der Einheit nach der Ausrichtung und die finale Anbringung
der Biegungsschenkel;
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4C eine
Draufsicht der Einheit nach der Ausrichtung und der Anbringung der
Biegungsschenkel;
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5A ein
Ausführungsbeispiel
einer Biegung mit vier Schenkeln;
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5B einen
Feinjustierungsschritt unter Verwendung der hinteren Schenkel einer
Biegung mit vier Schenkeln;
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6 ein
alternatives Ausführungsbeispiel mit
Blattfederanbringung des optischen Elements, zusätzlicher Elektronik und Sensoren
sowie mit nach oben zeigenden peripheren Kontakten; und
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7 eine
Seitenschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Gehäuseeinheit
für optische
Komponenten.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Beschrieben
wird ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Einheit.
In der folgenden Beschreibung sind zum Zwecke der Erläuterung zahlreiche
spezifische Einzelheiten ausgeführt,
um ein umfassendes Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Für den Fachmann auf dem Gebiet
ist es jedoch ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch ohne
diese spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen
Fällen
sind allgemein bekannte Strukturen und Bausteine bzw. Vorrichtungen
in Blockdiagrammform dargestellt, um die vorliegende Erfindung nicht
unnötig
zu verschleiern.
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Überblick
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Offenbart
werden eine Einheit bzw. ein Gehäuse
für optoelektronische
Komponenten und ein Verfahren zur Herstellung der Einheit. In einem
Ausführungsbeispiel
umfasst die Einheit ein Substrat mit einem Positionierungsboden,
der eine Befestigungsoberfläche
und die Unterwand der Einheit bzw. des Gehäuses bereitstellt. In einem
Ausführungsbeispiel sind
das Substrat und dessen Positionierungsboden im Wesentlichen planar
bzw. eben. In einem Ausführungsbeispiel
sind an der Befestigungsoberfläche ferner
eine oder mehrere erhöhte
Plattformen vorgesehen. Die erhöhten
Plattformen können
Hilfsträger aus
einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein,
wie zum Beispiel Kupfer, Wolfram, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid
und Bornitrid, die an dem Boden des Substrats angebracht sind. Die
erhöhten
Plattformen können
zum Beispiel durch Löten
oder Hartlöten angebracht
werden, wobei sie aber auch Teil des Substratmaterials selbst sein
können.
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In
einem Ausführungsbeispiel
sind an den erhöhten
Plattformen kantenemittierende, seitlich montierte oder Wellenleiterbausteine
angebracht, wie zum Beispiel Diodenlaser, Modulatoren oder Detektoren.
Mikrooptische Elemente wie zum Beispiel Mikrolinsen, Filter, Splitter,
Isolatoren, sind direkt an dem Boden der Einheit angebracht.
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In
einem Ausführungsbeispiel
sind die Höhe der
Plattform und die Höhe
der optischen Elemente so ausgewählt,
dass die kantenemittierenden Bausteine und die optischen Elemente
automatisch vertikal ausgerichtet werden, d.h. ihre optischen Achsen liegen
in der gleichen gemeinsamen Ebene parallel zu dem Boden der Einheit.
Die erhöhte
Plattform für die
kantenemittierenden Bausteine erfüllen gleichzeitig bis zu drei
Funktionen: (i) sie sorgen für
die Höheneinstellung,
welche den kantenemittierenden Baustein in die optische Ebene bringt;
(ii) sie dienen als Wärmeverteiler
für den
aktiven Baustein; und (iii) sie stellen einen bzw. mehrere elektrische
Kontakt(e) für
den aktiven Baustein bereit.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird die Höhe der
Plattformen auf einem geringen Anteil wie zum Beispiel weniger als
einem Zehntel der Länge
des Substrats gehalten, so dass die Einheit im Wesentlichen zweidimensional
ist und unter Verwendung der Be- und Entladeautomatisierung hergestellt
werden kann. Um zum Beispiel eine Schmetterlingseinheit (englisch:
Butterfly Package) gemäß der Industrienorm
in Übereinstimmung
mit einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele zu realisieren, liegen
die äußeren Abmessungen
des Substrats im Bereich einer Länge
von 20 mm und einer Breite von 12 mm, wobei die Höhe des Rahmens
und der Plattformen 0,25 mm beträgt.
Dies stellt lediglich etwa 1/80 der Länge der Einheit dar und steht
im krassen Gegensatz zu herkömmlichen
Schmetterlingseinheiten, deren Wandhöhe für gewöhnlich im Bereich von 10 mm
liegt. Die quasiplanare Beschaffenheit der Einheit aus Substrat,
Rahmen und Plattform ermöglicht
die Platzierung der optoelektronischen Elemente durch eine Be- und
Entladevorrichtung mit hoher Präzision,
die mit einem zweidimensionalen (2D) Maschinensehvermögen ausgestattet
ist. Dem Stand der Technik entsprechende und im Handel erhältliche Maschinen
erreichen eine Beschickungs- und Entlade- bzw. Entnahmepräzision im
Bereich von weniger als einem Mikron. Ein Beispiel für eine derartige
Maschine ist das Modell FC 250 Flip Chip Bonder von Karl Suss Technique,
Saint-Jeoire, Frankreich. Unter Verwendung einer derartigen automatisierten
Be- und Entladeeinheit kann das optische Verhältnis zwischen den optoelektronischen
Elementen in die lateralen und transversalen Dimensionen mit einer
Präzisionsgenauigkeit
von wenigen Mikron erreicht werden.
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Die
Höhenausrichtung
zwischen den Komponenten erfolgt automatisch durch die Höhe der erhöhten Plattform.
Unter Einsatz einer präzisen
Regelung des Hilfsträgermaterials
oder einer Poliertechnik kann eine Regelung der Plattformhöhe mit einer
Präzisionsgenauigkeit
von unter einem Mikron erreicht werden. Da die Einheit quasiplanar
ist wird die mechanische Stabilität hauptsächlich durch die Stabilität des Substrats
bestimmt. Unter Verwendung eines Werkstoffs mit sehr geringer Ausdehnung
für das Substrat,
wie zum Beispiel Aluminiumoxidkeramik, kann eine Einheit mit einer
deutlich besseren mechanischen Stabilität als bei den herkömmlichen
dreidimensionalen Ansätzen
erreicht werden.
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Hiermit
wird festgestellt, dass sie Ausführungsbeispiele
der optoelektronischen Einheiten hierin zwar mit einem oder mehreren
optischen Elementen auf Plattformen beschrieben sind, wobei es gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung aber ebenso möglich ist, diese Elemente auf
dem Boden der Einheit zu platzieren, während andere optische Elemente
der Einheit unterhalb der oberen Oberfläche des Bodens der Einheit
angebracht sind.
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In
hochleistungsfähigen
optoelektronischen Einheiten erfordern kritische optische Elemente
eine präzisere
Platzierung als wie diese durch die Kombination der Regelung der
Plattformhöhe
und der zweidimensionalen Bestückung
erreicht werden kann. Dies gilt für Monomode-Fasern, die mit
einer Präzision
mit bis zu einem Mikron ausgerichtet werden müssen, um eine hohe optische
Kopplungseffizienz zu erreichen. In einem Ausführungsbeispiel werden derartige
Komponenten unter Verwendung einer Miniaturbiegung angebracht, die
eine geringe vertikale Einstellung ermöglicht. In einem Ausführungsbeispiel besteht
die Biegung aus dünnem
Federstahl, der geätzt
oder gestanzt und danach in einer Presse gebogen worden ist. Die
Biegung umfasst zwei oder mehr Schenkel, die auf dem Substrat ruhen
oder auf jeder Seite des Rahmens. In einem Ausführungsbeispiel sind die Schenkel
durch eine Brücke
verbunden, die das optische Element stützt oder klemmt. Zwei Materialbereiche
mit Federeigenschaft verbinden die Schenkel mit der Brücke.
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Die
Biegung kann so gestaltet sein, dass in ihrem natürlichen
(ungebogenen) Zustand, die optische Achse der optischen Komponente,
die an der Brücke
angebracht ist, leicht oberhalb der optischen Ebene der Einheit
ruht. Die Feinabstimmung der Höhe
wird erreicht, indem Druck auf die Biegung ausgeübt wird, wobei die Brückenhöhe gesenkt
wird. Das Ziehen der Biegung in die Ebene, die parallel zu dem Substrat
ist, kann zur Korrektur der lateralen Position bevorzugt werden.
Wenn eine angemessene Ausrichtung erreicht wird, werden die Schenkel
dauerhaft an dem Rahmen oder dem Substrat angebracht. Die Anbringung
bzw. Befestigung kann zum Beispiel durch Laserschweißen, Löten oder
Klebeverbindung erreicht werden. Die Biegung weist mehr als zwei
Schenkel auf. Das erste Paar von Schenkeln wird nach der groben
optischen Ausrichtung an dem Rahmen angebracht. Die Biegung wird
danach in Feinabstimmung neu ausgerichtet, unter Verwendung der
verbleibenden Restflexibilität
nach der Anbringung der beiden ersten Schenkel. Wenn die optimale
Position erreicht worden ist, werden die verbleibenden Schenkel
angebracht.
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Eine
weitere wichtige Eigenschaft eines Ausführungsbeispiels der nachstehend
beschriebenen optoelektronischen Einheit ist der luftdichte Verschluss.
In Standardkonstruktionen wird dies erreicht, indem um die Einheit
Wände vorgesehen
werden, in welche Löcher
gebohrt worden sind, um das Hindurchführen von elektrischen Verbindungen,
optischen Fenstern und Lichtwellenleitern zu ermöglichen, die nach ihrer Installation
ordnungsgemäß verschlossen
werden müssen.
Die optische Einheit wird danach innerhalb der Grenzen dieser Wände gestaltet,
und ein verschließender
Deckel wird hinzugefügt, um
die Einheit in dem letzten Fertigungsschritt zu verschließen. Das
Bohren der Wände
und das dichte Verschließen
aller elektrischen und optischen Durchführungen durch diese Löcher erhöhen die
Kosten und die Komplexität
der Einheiten. Zum Beispiel kosten ein handelsübliches Schmetterlingsgehäuse mit elektrischen
keramischen Hochgeschwindigkeitsdurchführungen und eine Kovar-Schlauchdurchführung für einen
Lichtwellenleiter mehr als 200 US-Dollar, bevor überhaupt optische Komponenten
hinzugefügt
werden. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele der optoelektronischen
Einheit sehen eine deutlich einfachere und kostenwirksamere Lösung in Bezug
auf den luftdichten Verschluss vor, ohne dass dafür zusätzliche
Wände erforderlich
sind. In einem Ausführungsbeispiel
wird der luftdichte Verschluss unter Verwendung einer oberen Kappe
erreicht, deren Rand dicht mit dem äußeren Abschluss eines ringförmigen Rahmens
verschlossen ist. Eine flache Rille kann in dem ringförmigen Rahmen
vorgesehen sein, so dass ein Lichtwellenleiter dicht aus dem Inneren
aus der luftdicht verschlossenen Einfassung heraus geführt werden
kann. Abgedichtete elektrische Verbindungen mit dem Äußeren der
Einfassung werden durch gefüllte
Durchkontaktierungen durch die Unterseite des Substrats vorgesehen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die Verteilung elektrischer Signale auf Stifte außerhalb
der Einheit und elektrische sowie optoelektronische Komponenten
innerhalb der luftdicht verschlossenen Einfassung durch eine Gruppe
elektrischer Anschlüsse
erleichtert, die als eine Anordnung von Mustern direkt auf die Ober-
und Unterseiten des Substrats gedruckt sind. Die oberen und unteren elektrisch
leitfähigen
Muster sind durch luftdicht gefüllte
Durchkontaktierungen elektrisch verbunden. Somit kann die Verteilung
der Signale auf Stifte an der Peripherie der Einheit oder auf eine
Kugelrasteranordnung oder eine ähnliche
Struktur unterhalb der Einheit erreicht werden, und zwar ohne jegliche
zusätzliche
Verdrahtung oder teuere luftdicht verschlossene Wanddurchführungen.
Diese Konfiguration ist sehr vorteilhaft für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb: die
Durchkontaktierungen sind sehr kurz, da sie nur durch die Dicke
des Substratmaterials verlaufen müssen, die in einem Ausführungsbeispiel
in dem Bereich von 250 μm
liegt. Darüber
hinaus kann auf jegliche äußere Verdrahtung
bzw. Verkabelung praktisch verzichtet werden. Dies reduziert erheblich
das Ausmaß der
parasitären
Kapazitanz und Induktanz, welche ansonsten den Hochgeschwindigkeitsbetrieb der
Einheit einschränken
würden.
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Das
quasiplanare Substrat mit erhöhten Plattformen
sorgt in Verbindung mit der Biegung gleichzeitig für eine optische
Ausrichtungsbank mit hoher Präzision,
eine Kühlung
aktiver optoelektronischer Komponenten, dicht verschlossene elektrische Durchführungen,
eine Hochgeschwindigkeitsplatine und eine luftdicht verschließbare Einfassung.
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Somit
stellt zumindest ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine Einheit für optische Komponenten bereit,
so dass die Komponenten leicht und präzise mit einer Einheit ausgerichtet werden
können.
Eine derartige Einheit kann kostengünstig und durch ein automatisierbares
Verfahren hergestellt werden.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
der optischen Einheit der vorliegenden Erfindung kann eine Massenfertigung
zu geringen Kosten vorteilhaft sein, während gleichzeitig eine präzise Ausrichtung
der optischen Komponenten in der Einheit aufrechterhalten werden
kann, in Verbindung mit dem luftdichten Verschluss, der hohen mechanischen
Stabilität,
der guten Kühlung
und der elektrischen Funktionsweise der Einheit mit hoher Geschwindigkeit.
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Die
Abbildung aus 1 zeigt eine vergleichsweise
optoelektronische Anordnung, eine Einheit 10 mit einem
Rahmen 32 und einer Biegung 24. Die Anordnung
umfasst ein Substrat 12 mit einem Positionierungsboden 14.
In einem Ausführungsbeispiel
ist der Positionierungsboden 14 im Wesentlichen planar,
und das Substrat 12 umfasst ein elektrisch isolierendes
Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizient,
wie etwa Aluminiumoxid oder Berylliumoxid. In einem Ausführungsbeispiel wird
die erhöhte
Plattform 20 durch einen an dem Positionierungsboden 14 angebrachten
Hilfsträger
erzeugt.
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Die
optischen Elemente oder Komponenten sind an dem Positionierungsboden 14 und
der Plattform 20 angebracht. In einem Ausführungsbeispiel
ist eine Linse 16 an dem Substrat 12 angebracht,
und ein kantenemittierendes optoelektronisches Element 18 wie
zum Beispiel eine Laserdiode ist an der Plattform 20 angebracht.
Andere optische Komponenten können
ebenfalls verwendet werden.
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Ein
optisches Element 22 wird zum Beispiel durch Löten, Hartlöten oder
Schweißen
an der Biegung bzw. Flexur 24 angebracht. Die Biegung 24 umfasst
zwei Schenkel 26 und 27, eine Brücke 30 und zwei
Federabschnitte 28 und 29 an der Verbindungsstelle
zwischen den Schenkeln 26 und 27 und der Brücke 36.
In einem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Element 22 um eine Monomode-Faser, wobei
es sich jedoch um jedes Element handeln kann, das eine optische
Ausrichtung mit anderen optischen Elementen erfordert.
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Ein
Rahmen 32 kann an dem Substrat 12 angebracht werden.
Die Enden der Schenkel 26 und 27 sind an dem Rahmen 32 angebracht.
Die Biegung 24 und das Befestigungsverfahren 5 werden
nachstehend im Text näher
beschrieben. In einem Ausführungsbeispiel
weist der Rahmen 32 einen vorstehenden Arm 34 mit
einer Rille 36 auf. Die Rille 36 ermöglicht das
luftdicht verschlossene Hindurchtreten der Faser bzw. des Leiters 22 aus
der Einheit hinaus.
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Eine
Kappe 38 ist an dem Rahmen 32 angebracht, wobei
ein luftdichter Verschluss erzeugt wird. Durch das Einschließen und
luftdichte Verschließen des
Positionierungsbodens 14 werden die optischen Komponenten
in einer geregelten gasförmigen,
flüssigen
oder Vakuumumgebung gehalten, welche die Komponenten schützt und
eine Verschlechterung deren Leistung und/oder eine Verkürzung deren
Lebensdauer verhindert. In einem Ausführungsbeispiel weist die Kappe 38 eine
obere Hutform und eine periphere Lippe 40 auf, die luftdicht
mit dem äußeren Abschnitt
des Rahmens 32 verschlossen und oben auf die Rille 36 und
die Faser bzw. den Leiter 22 aufgebracht werden kann. Der
luftdichte Verschluss kann durch ein Verfahren wie das Nahtschweißen, Löten oder
eine Klebeverbindung erzeugt werden.
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Die
Dicke des Rahmens 32, der Plattform 20, des optischen
Elements 16 und 18 werden im Vergleich zu der
Länge oder
Breite des Substrats 12 gering gehalten, so dass die Einheit
unter Verwendung eines zweidimensionalen Maschinensehvermögens im
Wesentlichen planar und kompatibel mit der Bestückungseinheit ist.
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Die
Dicke des Rahmens 32 und der Plattform 20 beträgt vorzugsweise
weniger als 1/10 der Länge des
Substrats 12, und die Dicke des optischen Elements 16 ist
vorzugsweise geringer als 1/5 der Länge. In einem Ausführungsbeispiel
entspricht die Dicke des Rahmens 30 und der Plattform 20 0,250
Millimetern, wobei die Höhe
der Linse 16 0,5 Millimeter beträgt und die Länge des
Substrats 12 ungefähr
10 Millimetern entspricht.
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In
einem Ausführungsbeispiel
verbindet die Drahtverbindung bzw. der Drahtanschluss 42 das
aktive optische Element 18 mit dem elektrisch leitfähigen Muster 44,
das sich auf der Oberseite des Positionierungsbodens 14 befindet.
Die gefüllte
leitfähige Durchkontaktierung 46 verbindet
das Muster 44 luftdicht mit dem elektrisch leitfähigen Muster 42 auf
der Unterseite des Positionierungsbodens 14. Stifte 50 auf
der Unterseite des Positionierungsbodens 14 sind ebenfalls
vorgesehen für
Verbindungen mit der elektronischen Komponente in dem Gehäuse bzw. der
Einheit über
andere Durchkontaktierungen (nicht abgebildet). Die Kombination
aus den Mustern 42 und 44 sowie der gefüllten Durchkontaktierung 46 sieht
einen effizienten und gering parasitären Mechanismus zur luftdichten
Verteilung elektrischer Signale von optoelektronischen Elementen
innerhalb der luftdicht verschlossenen Einfassung zu den Stiften 50 an der
Peripherie der Einheit 10 vor. Alternativ können Signale
zu der Kugelrasteranordnung unterhalb der Einheit zur Oberflächenanbringung
verteilt werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird die Einheit 10 ohne einen Rahmen 32 realisiert,
und das Material des Substrats 12 ermöglicht die direkte Anbringung
der Kappe 38 und der Biegung 24 an dem Substrat 12.
In diesem Fall kann die Fähigkeit
zur Bildung der Rille 36 verloren gehen, wobei dies durch
das Hinzufügen
einer Durchführungsröhre oder
eines Fensters an der Kappe 38 ersetzt werden kann.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel wird
die Biegung 26 direkt an dem Boden 14 angebracht,
während
die Kappe 38 an dem Rahmen 32 angebracht wird.
In einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel handelt es sich
bei dem Rahmen 32 und der Plattform 20 um metallische
Einsätze
aus einem vollständig
planaren Substrat. In einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel
werden zwei konzentrische Rahmen verwendet, wobei ein äußerer zur
Anbringung an der Kappe 38 und ein innerer zur Anbringung
der Biegung 24 dienen.
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Eine
Achse A schneidet die Einheit 10, wie dies in der Abbildung
aus 1 dargestellt ist. Die Abbildung aus 2A zeigt eine Querschnittsansicht der
Einheit 10 entlang der Achse A. Da die vertikale Ausrichtung
der an der Plattform 20 angebrachten optischen Bauteile
und des Positionierungsbodens 14 ausschließlich durch
die Höhe
der Plattform 20 geregelt wird, ist es wichtig, diese Höhe präzise anzupassen.
Für gewöhnlich ist
für die
Ausrichtung einer Laserdiode mit einer Mikrolinse eine Präzision von
mindestens 5 μm
erforderlich. In einem Ausführungsbeispiel
kann eine derartige Präzision
durch Polieren der Plattform 20 und des Rahmens 24 erreicht
werden, bis der Rahmen 24 und die Plattform 20 einschließlich des daran
angebrachten optischen Elements auf die korrekte Höhe reduziert
worden ist.
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Die
Abbildung aus 2A zeigt das Substrat 12 mit
dem Rahmen 24 und der Plattform 20 vor dem Polierschritt.
Die Höhe
der Plattform 20 und des Rahmens 24 oberhalb des
Substrats 12 ist geringfügig größer als die der optischen Achse
des optischen Elements 16, das als Referenz dargestellt
ist. Die Abbildung aus 2B zeigt den
Rahmen 24 und die Plattform 20 einschließlich des
optischen Elements 15 nach dem Präzisionspolieren, so dass der
Rahmen 32 und die Plattform 20 eine vorbestimmte
Höhe h über dem
Boden 14 aufweisen, welche der optischen Achse des optischen
Elements 16 entspricht, die wiederum als Referenz abgebildet
ist. Die Abbildung aus 2C zeigt die
entnommenen und auf der Plattform 20 und dem Boden 14 platzierten
optischen Elemente.
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In
einem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Element 18 um eine Laserdiode,
deren emittiertes Licht durch das Element 16, bei dem es sich
um eine Linse handelt, gesammelt und in den Kern des optischen Elements 22 fokussiert
wird, bei dem es sich um einen Lichtwellenleiter handelt. Die Ausrichtung
des Lasers, der Linse und des Leiters bzw. der Faser wird durch
die Planarisierung des Rahmens 12 und der Plattform 20 erleichtert,
wie dies in der Abbildung aus 2D dargestellt
ist. Die optische Ebene P ist einen Abstand h von dem Boden 16 entfernt.
Die Linse weist eine optische Achse OA auf, die einen Abstand von
der unteren Oberfläche
der Linse entfernt ist. Die Plattform 20 weist eine Höhe h auf
und somit liegt eine obere Oberfläche der Plattform 20 in
der optischen Ebene P. Somit wird das von dem Laser emittierte Licht
im Wesentlichen auf der optischen Ebene P zentriert, und das Licht
von dem Laser, das auf der Linse auftrifft, wird auf der optischen
Achse OA zentriert, wie dies in der Abbildung aus 2D dargestellt
ist.
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Zusätzlich zu
der Poliertechnik können
alternative Techniken eingesetzt werden, um die Höhenregelung
der Plattform zu erreichen, einschließlich und ohne einzuschränken des
Elektroplattierens einer leicht unter der Höhe liegenden Plattform, um
deren Dicke zu erhöhen,
des chemischen Präzisionsätzens einer
leicht über
der Höhe
liegenden Plattform oder der Präzisions-Diamantbearbeitung
der Plattform.
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Die
Abbildungen der 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 4C, 5A und 5B beschreiben
einen zum Vergleich dienenden Biegungsausrichtungsbaustein und ein
Ausrichtungsverfahren. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die
Biegung 24 eine Brücke 30 und
zwei Schenkel 26 und 27. Zwei Federbereiche 28 und 29 verbinden
die Schenkel 26 und 27 mit der Brücke 30.
Die Extremitäten
der Schenkel 26 und 27 ruhen an dem Rahmen 32.
In einem alternativen, zum Vergleich dienenden Design, ruhen die
Enden der Schenkel direkt auf dem Substrat 12. Die Brücke 30 hält ein optisches
Element 22. In einem Ausführungsbeispiel umfasst das
optische Element 22 einen Lichtwellenleiter. In einem Ausführungsbeispiel
besteht die Biegung 24 vorzugsweise aus einem flach gestanzten oder
geätzten
Stück Federstahl.
Die Federbereiche 28 und 29 können durch chemische Entfernung
der Hälfte
der Metalldicke erzeugt werden. Die Biegung 24, die im
Wesentlichen flach ist, wird danach in der Folge in der Presse geformt,
so dass die Schenkel 26 und 27 und die Federbereiche 28 und 29 geformt werden,
wobei sie danach bei hoher Temperatur vergütet werden, um die Federeigenschaften
auf das Material zu übertragen.
In einem Ausführungsbeispiel
ist die Biegung 24 etwa 170 Mikron dick, und die Federbereiche 28 und 29 sind
ungefähr
85 Mikron dick. Aus den folgenden Ausführungen wird deutlich, wie
die Schenkel 26 und 27, die Brücke 30 und die Federbereiche 28 und 29 aufgebaut
sind, so dass eine präzise
dreidimensionale Ausrichtung des optischen Elements 22 ermöglicht wird.
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Das
zum Vergleich dienende Verfahren beginnt zuerst mit der Anbringung
des optischen Elements 22 an der Brücke 30 der Biegung 24 durch
ein Verfahren wie zum Beispiel Löten
oder eine Klebeverbindung. Die Biegung 24 und das an dieser
angebrachte optische Element werden danach aufgenommen und in grober
Ausrichtung auf der optischen Einheit 10 platziert, wie
dies in der Abbildung aus 4A dargestellt
ist. An dieser Stelle ruht die Biegung 24 einfach an dem
Rahmen 32 (oder an dem Substrat 12, in einem Ausführungsbeispiel
ohne Ring), ohne ein weiteres Befestigungsverfahren. Zumindest ein
erstes optisches Element 16 ist bereits an der optischen
Einheit 10 angebracht und definiert bzw. begrenzt eine
optische Achse OA im Verhältnis zu
der das optische Element 22 und dessen optische Achse BC
unter Verwendung der Biegung 24 ausgerichtet werden. In
einem Ausführungsbeispiel
werden eine Laserdiode 18 und eine Linse 16 an
der optischen Einheit angebracht, bevor die Biegung 24 ausgerichtet
wird. In einem Ausführungsbeispiel
ist die Biegung 24 so gestaltet, dass die optische Achse
BC höher
ist als die optische Achse OA, wie dies in der Seitenansicht der
Einheit 10 aus 3B dargestellt ist.
In einem Ausführungsbeispiel
ist BC ungefähr 100
bis 200 Mikron höher
als OA, wenn kein Druck auf die Biegung 24 ausgeübt wird.
Die Draufsicht der Einheit aus 3C zeigt,
dass die Achsen OA und BC ebenfalls zueinander in der horizontalen
Ebenenausrichtung der Biegung 24 versetzt werden können.
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Das
entfernbare Ausrichtungsinstrument 52 wird dazu verwendet,
Druck auf die Oberseite der Brücke 30 auszuüben. Das
Instrument 52 weist ferner Stifte 55 und 54 mit
konischen Enden 56 und 57 auf, die in passende
Greiföffnungen 58 und 59 an
der Brücke 30 passen.
Hiermit wird festgestellt, dass die Form des Ausrichtungsinstruments
aus den Abbildungen der 4A und 5B lediglich
als ein Beispiel vorgesehen ist. Der Fachmann auf dem Gebiet kann
auch andere Instrumente entwerfen, welche die Fähigkeit aufweisen, eine temporäre Klemmwirkung auf
die Biegung und Druck auf die Brücke 30 auszuüben. Zum
Beispiel können übereinstimmende
Anordnungen von Rillen in der Biegung und dem Instrument die verriegelnde
Konstruktion aus Stift und Loch ersetzen. Ein Vakuuminstrument kann
ebenfalls verwendet werden.
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Während dem
Schritt der Feinausrichtung wird das Instrument 52 auf
die Brücke 30 gesenkt. Die
konischen Spitzen 56 und 57 werden eng passend
in die Öffnungen
bzw. Löcher 58 und 59 eingepasst.
Das Instrument übt
Druck auf die Brücke 30 aus,
was eine Biegung der Federbereiche 28 und 29 unter
dem Druck bewirkt. Dies wiederum bewirkt, dass sich die Schenkel 26 und 27 und
die Achse BC auseinander spreizen, so dass eine Absenkung in Ausrichtung
mit der Achse OA vorgesehen wird, wie dies in der Abbildung aus 4B dargestellt
ist. Das Instrument 52 wird ferner in eine Ebene bewegt,
die parallel zu der Ebene des Befestigungsbodens 14 ist, wobei
die Biegung 24 und der Schenkel 26 mitgezogen
werden, bis die horizontale und longitudinale Ausrichtung der Achsen
OA und BC erreicht ist, wie dies in der Draufsicht aus 4C ersichtlich
ist. In einem Ausführungsbeispiel
wird die Ausrichtung überwacht,
indem die gekoppelte Leistung an dem Ausgang der Faser bzw. des
Leiters gemessen wird, während
der Laser 18 eingeschaltet wird und die Biegung 24 einer
Feinausrichtung unterzogen wird.
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Sobald
die gewünschte
Ausrichtung erreicht worden ist, werden die Schenkelextremitäten an dem Ringrahmen 32 oder
dem Substrat 12 angebracht. Ein Befestigungsverfahren ist
das Laser-Mikroschweißen
durch den Laserstrahl 62, der die Schweißpunkte 60 und 61 erzeugt.
Die Schweißpunkte
bringen die metallischen Schenkel 26 dauerhaft an dem metallischen
Ringrahmen 32 an. Andere Befestigungsverfahren können ebenfalls
verwendet werden, wie etwa UV-härtbare
Klebstoffe oder Lötmittel.
Nach Vollendung der abschließenden
Befestigung der Schenkel wird das Instrument 52 von der Einheit
angehoben, wobei die ausgerichtete Einheit gemäß den Abbildungen in den 4B und 4C verbleibt.
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Die
meisten Befestigungsverfahren induzieren sehr geringfügige Verschiebungen
oder Versätze während dem
Befestigungsvorgang. Im Falle von Klebstoffen wird die Verschiebung
für gewöhnlich durch
eine Schrumpfung des Klebstoffs verursacht; im Falle des Lötens wird
die Verschiebung durch die Veränderung
des Lötvolumens
während
der Verfestigungsphase und durch die Ausdehnung und Kontraktion
von Teilen während
dem Temperaturzyklus bewirkt; beim Laserschweißen ist für gewöhnlich eine Verschiebung nach
dem Schweißen
zu beobachten. Die Abbildung aus 5A zeigt
ein Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung einer Biegung, die den Effekt dieser Verschiebungen reduziert oder
sogar auf ein Mindestmaß beschränkt, wodurch eine
größere Präzision der
Ausrichtung und eine bessere Reproduzierbarkeit ermöglicht werden.
Die Biegung 70 aus 5A umfasst
zwei Paare von Schenkeln, ein vorderes Paar von Schenkeln 26 und 27 und ein
hinteres Paar von Schenkeln 74 und 75. Das vordere
Schenkelpaar ist dicht an dem optischen Element 16 angeordnet,
wie dies in der Abbildung aus 5B dargestellt
ist, und es wird unter Verwendung des Instruments 52 und
der Greiflöcher 58 und 59 und
gemäß dem bereits
vorstehend im Text beschriebenen Verfahren ausgerichtet. Die vorderen
Schenkel 26 und 27 werden permanent an dem Rahmen 32 angebracht,
wie dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist, wie
zum Beispiel unter Verwendung von Laserschweißpunkten 60 und 61.
Die Verschiebung nach der Anbringung wird in einem zweiten Ausrichtungsschritt
unter Verwendung des Instruments 52 und der hinteren Greiflöcher 76 und 77 korrigiert,
die sich in der Nähe
des hinteren Paars der Schenkel 74 und 75 befinden.
Die verbleibende Flexibilität
der Biegung 70 ermöglicht
eine geringfügige Positionierungskorrektur
der Spitze 80 des optischen Elements 22, indem
das hintere Ende der Biegung 70 mit dem Instrument 52 bewegt
wird. Nach der zweiten Ausrichtung werden die hinteren Schenkel
durch Laserschweißpunkte 78 und 79 an
dem Rahmen 32 angebracht. Das Ausrichtungsinstrument 52 wird
danach von der Einheit angehoben.
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Die
genaue Beschreibung enthält
zwar zahlreiche Besonderheiten zu Veranschaulichungszwecken, wobei
jeder Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet jedoch erkennt, dass
zahlreiche Abänderungen
und Variationen der folgenden Einzelheiten gemäß dem Umfang der vorliegenden
Erfindung möglich
sind. Die Abbildung aus 6 zeigt Abwandlungen bzw. Variationen
und weitere Verbesserungen des zum Vergleich dienenden Ausführungsbeispiels der
Einheit. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das optische
Element 16 durch die Blattfeder 81 gegen den Positionierungsboden 14 gedrückt, so
dass er seine Position beibehält.
Die Blattfeder 81 wird zum Beispiel durch Laserschweißen an dem Rahmen 32 angebracht.
Die Anbringung der Blattfeder 81 hat den Vorteil, dass
kein Klebstoff oder keine Lötschicht
zwischen dem optischen Element 16 und dem Boden 14 erforderlich
ist.
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Das
Ausführungsbeispiel
der Einheit aus 6 umfasst ein optisches Element 82 wie
zum Beispiel eine Fotodiode, das direkt an dem Boden angebracht
ist, und dessen optische Achse sich nicht in der Ebene anderer optischen
Elemente 16 und 18 befindet. Die Fotodiode 82 kann
als rückseitiger
Leistungsmonitor verwendet werden.
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Das
Ausführungsbeispiel
der Einheit aus 6 umfasst ferner eine elektronische
Komponente 84 wie zum Beispiel einen Impedanzangleichungsmonitor,
der an dem Boden 14 angebracht und elektrisch mit der Drahtverbindung 42 und
dem leitfähigen
Muster 44 verbunden ist. Jeder Durchschnittsfachmann auf
dem Gebiet erkennt, dass jedes andere elektronische Element wie
zum Beispiel Thermistoren, Mengenregler, integrierte Schaltungen
auf ähnliche
Weise in der optoelektronischen Einheit angebracht und angeschlossen
werden können.
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Die
Einheit aus 6 weist ferner periphere Kontaktanschlussflächen 88 an
der oberen Oberfläche
des Substrats 12 auf. Die Kontaktanschlussflächen 88 sind über eine
Durchkontaktierung 86, ein unteres leitfähiges Muster 48,
die gefüllte
Durchkontaktierung 46 und das obere leitfähige Muster
mit den inneren elektrischen Elementen 84 verbunden.
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Die
Abbildung aus 7 zeigt ein weiteres zum Vergleich
dienendes Ausführungsbeispiel
der optischen Einheit. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die
Faser bzw. der Leiter 92 ein verteiltes Braggsches Reflexionsgitter
(DBR) 90, das durch die Biegung 94 an der Verwendungsposition gehalten
wird. Der Laser 93 emittiert Licht in die Faser 92.
In einem Ausführungsbeispiel
weist der Laser 93 eine antireflektierend beschichtete
oder angewinkelte vordere Facette auf, um eine Reflexion des Lichts
durch die Facette in den Laserwellenleiter zu verhindern. Das Gitter 90 reflektiert
eine vorbestimmte Wellenlänge
stark zurück
in den Laser 93. Eine allgemein bekannte Klebe- oder Verbindungstechnik kann
zur Anbringung der Elemente und/oder der erhöhten Plattformen verwendet
werden, die diese Elemente stützen
bzw. tragen. Dadurch wird ein Lasersystem erzeugt, das einen Laserhohlraum
aufweist, der das Gitter 90 sowie den Hohlraum des Lasers 93 umfasst.
Das Lasersystem aus 7 weist eine Resonanzwellenlänge auf,
die der vorbestimmten Wellenlänge
entspricht, welche wiederum dem Gitter 90 entspricht. Der
Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist es, dass es eine überlegene
mechanische Stabilität
der Faser- bzw. Leiterposition im Verhältnis zu der Laserfacette aufweist,
welche das Auftreten von Modussprüngen verhindert und die Montagekosten
senkt.
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Während für den Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet der Erfindung nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung
zahlreiche Abänderungen und
Modifikationen der vorliegenden Erfindung ersichtlich werden, wird
hiermit festgestellt, dass keines der veranschaulichend abgebildeten
und beschriebenen Ausführungsbeispiele
als einschränkend
anzusehen ist. Somit schränken
Verweise auf Einzelheiten verschiedener Ausführungsbeispiele den Umfang
der Ansprüche
nicht ein, welche die einzigen Merkmale aufweisen, die für die vorliegende Erfindung
wesentlich sind.