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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausrichten einer
optischen Faser mit der Ausgangsfacette einer Laserdiode.
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Eine
Kopplungseffizienz zwischen einer optischen Faser und einer Laserdiode
ist durch die Genauigkeit und Stabilität der Ausrichtung begrenzt,
die während
des Zusammenfügungsprozesses
erreichbar ist. Eine Ausrichtung einer optischen Faser und einer
Laserdiode kann durch ein Platzieren der optischen Faser unter Verwendung
eines Merkmals erreicht werden, das in eine Silizium-,Optikbank' geätzt wurde,
auf die die Laserdiode bereits genau angebracht wurde. Diese einfache
Technik ist jedoch in einer Genauigkeit durch die hergestellte Genauigkeit des
Siliziums und der Faser und eine nachfolgende Bewegung aufgrund
von thermischen Belastungen während
des Verbindungsprozesses begrenzt. Eine andere Technik verwendet
eine Befestigung bzw. Halterung, um die optische Faser zu tragen.
Wenn der Laser und die optische Faser einmal ausgerichtet und an
der Bank angebracht sind, wird die Befestigung mechanisch verformt,
bis eine optimale Kopplungseffizienz erreicht ist. Diese Technik
leidet jedoch unter dem Nachteil eines Kriechens oder Flusses des verformten
Materials und ist deshalb auf lange Sicht nicht stabil. Ein Kriechen
ist ein natürliches
Ergebnis des Alterungsprozesses, aber ist akuter, wenn Materialien
einer Belastung unterzogen sind. Ferner ist das Problem eines Kriechens
aufgrund der hohen Temperatur erhöht, der derartige Kopplungsanordnungen
wahrscheinlich unterzogen sind. Ein derartiges Kriechen reduziert
die Kopplungseffizienz zwischen dem Laser und der Faser, wenn die
Anordnung altert.
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Die
japanische Zusammenfassung der JP-A-02245711 offenbart eine optische
Faser, die mit einer hohen Genauigkeit mit einem Halbleiterchip ausgerichtet
ist. Es wird eine Hülse gebildet,
die die Faser auf eine derartige Weise hält, dass der vordere Endteil
der Hülse
ein Schwenklager bildet, das die Hülse in einem Typ einer universellen
Verbindung zusammen mit der Apertur eines Tragekörpers trägt.
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Das
US-Patent 6,074,103 offenbart ein Verfahren zum Ausrichten einer
optischen Faser mit einer optischen Vorrichtung, die an einer Basis
befestigt ist, durch ein Führen
der Faser durch zwei Trägerbauglieder.
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Das
US-Patent 4,865,410 offenbart eine Faseroptik-Durchführungsanordnung, die ein flexibles Material
zwischen der optischen Faser und einer Befestigung verwendet.
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Bei
der Kopplungsvorrichtung dieser Erfindung wird auf eine hohe Kopplungseffizienz
zwischen einer Faser und einer Laserdiode abgezielt, weshalb es
wichtig ist, dass die Faserspitze sich bei einem optimalen Abstand
von der Laserdiode befindet, typischerweise zwischen 5 μm und 10 μm von der
Laserfacette. Wenn jedoch die Faserspitze so nahe an der Ausgangsfacette
des Lasers ist, bedeutet dies, dass eine kleine Verschiebung von
der optimalen Position einen signifikanten Abfall bei einer Kopplungseffizienz
bewirkt. Bei Abständen
weiter weg von der Ausgangsfacette des Lasers weisen Verschiebungen
von der optimalen Position keine derartig große Wirkung auf, aber eine Kopplungseffizienz
ist reduziert. Deshalb ist es bei einer Kopplungsvorrichtung, die
auf eine hohe Kopplungseffizienz abzielt, wichtig, dass die Vorrichtung
stabil ist, d. h. dass ein Altern nicht bewirkt, dass die Spitze
der Faser auch nur um eine kleine Größe von einer optimalen Kopplungsposition
verschoben wird.
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Diese
Erfindung dient dazu, derartige Probleme einer Zuverlässigkeit
und Stabilität
zu vermindern, und ist besonders vorteilhaft für Komponenten, die eine hohe
Zuverlässigkeit
benötigen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausrichten einer optischen Faser mit
der Ausgangsfacette einer Laserdiode vorgesehen, um eine im Wesentlichen
optimale Kopplungseffizienz zu erhalten, wobei die Vorrichtung die
Merkmale gemäß Anspruch
1 aufweist.
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Um
ein hermetisches Abdichten für
eine hohe Zuverlässigkeit
zu unterstützen,
kann die universelle Verbindung ein flexibles Material zwischen der
optischen Faser und einer Befestigung bzw. Halterung aufweisen.
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Die
Einstellungseinrichtung kann eine Scheibe aufweisen, die die optische
Faser trägt
und eine Feder zum Vorspannen der Kugel in den Sockel aufweist,
und wobei eine Verschiebung der Scheibe in einer Schwenkbewegung
der Faser um die Mitte der Kugel und einer entsprechenden kleineren
Verschiebung des Endes der optischen Faser resultiert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die
zugehörigen
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Querschnitt eines Teils einer Ausrichtungsvorrichtung ist, von oben
betrachtet;
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2 ein
Querschnitt der Ausrichtungsvorrichtung von 1 ist, von
der Seite betrachtet; und
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3 ein
Graph ist, der darstellt, wie eine Kopplungseffizienz zwischen einer
Laserdiode und einer optischen Faser durch die Winkelausrichtung der
Faser beeinflusst ist;
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4 Parameter
eines Hebelentwurfs darstellt; und
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5 eine
teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausrichtungsvorrichtung ist.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf 1 ist eine Laserdiode 5 an
einer thermisch leitfähigen Bank 3 befestigt.
Die Bank ist aus einem Material mit einem niedrigen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten gefertigt, wie beispielsweise Kovar, einer
Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung. Andere gut wirkende Materialien umfassen
Kupfer-Wolfram-Legierungen, die Materialien sind, die die Leitfähigkeit
von Kupfer, wobei so eine Wärmeausbreitung
bereitgestellt wird, mit dem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
von Wolfram kombinieren. Andere geeignete Materialien können für eine Fertigung
der Bank 3 verwendet werden. Es ist möglich, Grenzen für die thermische
Ausdehnung des gewählten
Materials zu berechnen und eine derartige Ausdehnung bei einem Entwerfen
der Anordnung zu kompensieren.
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Die
Bank 3 und eine optische Faser 6, die in einer
Röhre 8 aus
rostfreiem Stahl befestigt ist, sind miteinander in einer Befestigung
bzw. Halterung 4 positioniert. Die optische Faser ist mittig
in die Röhre aus
rostfreiem Stahl eingebracht. Eine jegliche Fehlausrichtung der
optischen Faser 6 mit der Mitte der Röhre 8 wird während einer
passiven Ausrichtungsprozedur kompensiert, die später beschrieben ist.
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Die
Laserdiode 5 ist direkt mit der Faser 6 gekoppelt,
ohne die Notwendigkeit für
eine Fokussierlinse zwischen dem Ende der Laserdiode und dem Faserkern,
obwohl Fachleuten auf dem Gebiet klar ist, dass diese Erfindung
ferner auf eine Ausrichtung einer Faser mit einer Laserdiode anwendbar
ist, bei der eine Fokussierlinse verwendet wird.
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Die
Befestigung 4 weist einen hohlen und allgemein zylindrischen
Abschnitt auf, der eine Kugel 1 häust. Die Kugel 1 weist
eine Apertur auf, die durch die Mitte verläuft und die die Faser 6 zusammen
mit der Röhre 8 aufnimmt.
Die Kugel 1 ist gegen einen inneren konischen Sockel in
der Befestigung vorgespannt, der eine koaxiale Apertur aufweist,
durch die die optische Faser vorspringt. Die Kugel und der konische
Sockel wirken zusammen, um eine universelle Verbindung mit einem
Schwenkpunkt im Wesentlichen bei der Mitte der Kugel 1 zu
bilden.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf 2, die eine Schnittansicht von
der Seite der Ausrichtungsvorrichtung in 1 zeigt,
weist bei dem entgegengesetzten Ende zu dem konischen Sockel der
allgemein zylindrische Abschnitt der Befestigung 4 eine größere Apertur
auf, in die die Faser 6 zusammen mit der Röhre läuft. Eine
Scheibe 7, die zum Beispiel aus Kupfer-Wolfram, Kovar oder
rostfreiem Stahl gefertigt ist, weist eine Feder 9 zum
Vorspannen der Kugel 1 in den Sockel auf. Die Scheibe 7 ist
an der Röhre 8 aus
rostfreiem Stahl gesichert.
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Die
Kugel ist aus einem magnetischen Material gefertigt, das magnetisiert
wurde, wobei die Magnetkräfte
dazu dienen, die Kugel in den konischen Sockel aus rostfreiem Stahl
vorzuspannen. Seitenerdmagneten, wie beispielsweise Neodym sind
für diesen
Zweck besonders geeignet, da dieselben eine hohe Koerzitivität aufweisen,
was bedeutet, dass die Magnetkräfte
bei einem geringeren Volumen von Material größer sind.
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Welches
Material auch für
eine Herstellung der Kugel verwendet wird, ist es wichtig, dass
es einfach ist, die zylindrische Apertur in der Kugel zu bilden,
und dass es möglich
ist, eine Sphäre
zu extrem hohen Toleranzen herzustellen, so dass Unregelmäßigkeiten
bei der Form der Kugel keine Verschiebung von der optimalen Kopplungsposition
bewirken. Ferner ist es wichtig, dass das Material sehr hart ist,
so dass sich dasselbe nicht abnutzt, wenn die Anordnung altert.
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Während einer
ersten Ausrichtungsstufe wird die Laserdiode 5 mit dem
Ende einer optischen Faser 6 ausgerichtet. Eine derartige
Ausrichtung wird als eine passive Ausrichtung bezeichnet, weil die Vorrichtungen
optisch (d. h. durch ein Auge mit der Hilfe eines optischen Mikroskops
mit näherungsweise
50- bis 250-facher Vergrößerung)
ausgerichtet werden. Eine derartige passive Ausrichtung weist keine
Genauigkeit auf, weil erstens, obwohl die Laserdiode allgemein einen
aktiven Streifen aufweist, der verwendet werden kann, um bei einer
Ausrichtung zu helfen, die Position des Streifens eventuell keine
Genauigkeit aufweist. Zweitens ist die passive Ausrichtungsprozedur
eine planare Ausrichtung, weshalb es, da die Ausgangsfacette des
Lasers eventuell nicht genau hergestellt ist, derart, dass die Ausgangsfacette
eventuell nicht mit genau 90° zu dem
oberen Ende und den Seiten der Laserdiode gesetzt ist, unwahrscheinlich
ist, dass die Faser 6 nach einer derartigen passiven Ausrichtung
sich in der optimalen Ausrichtung befindet.
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Nach
der ersten Ausrichtungsstufe wird die Bank 3 an die Befestigung 4 geschweißt. Während des
Schweißprozesses
tritt wahrscheinlich eine gewisse Relativbewegung zwischen der Laserdiode 5 und
der optischen Faser 6 aufgrund von thermischen Belastungen
auf, die durch das örtlich
begrenzte Erwärmen
eines Materials bei der Basis der Bank 3 bewirkt werden.
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Das
Licht von der Laserdiode 5 wird in einer konischen Form
emittiert. Es ist wichtig, die Spitze der Faser bei dem Punkt einer
maximalen Leistung zu platzieren.
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3 stellt
ein Beispiel dessen dar, wie eine Kopplungseffizienz durch die Winkelausrichtung
der Faser in senkrechten Ebenen beeinflusst ist, und ferner, wie
die Kopplungseffizienz durch eine koaxiale Drehung der Faser beeinflusst
ist. Eine Drehung der Faser in der vertikalen Ebene ist durch die
Linie 32 dargestellt, eine Drehung in der horizontalen
Ebene ist durch die Linie 33 dargestellt und eine koaxiale Drehung
ist durch die Linie 31 dargestellt. Bei diesem Beispiel
gibt es einen Unterschied bei einer Wirkung zwischen einer Drehung
in einer vertikalen Ebene und einer Drehung in einer horizontalen
Ebene.
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Eine
Verschiebung der Platte 7 wird verwendet, um das Ende der
optischen Faser 6 fein mit der Laserdiode 5 auszurichten.
Diese feine Ausrichtung ist eine aktive Ausrichtung, was bedeutet,
dass die Ausrichtung ausgeführt
wird, wenn der Laser eingeschaltet ist, und die Kopplung zwischen
der Laserdiode 5 und der optischen Faser 6 gemessen
wird. Wenn einmal eine maximale Kopplungseffizienz erreicht ist,
dann werden die Laserdiode und die optische Faser als optimal ausgerichtet
betrachtet.
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Eine
Verschiebung der Platte 7 bewirkt eine Drehung der optischen
Faser 6 um den Schwenkpunkt der universellen Verbindung,
die durch die Kugel und den konischen Sockel gebildet ist. Das Verhältnis des
Abstands zwischen dem Schwenkpunkt und der Platte und des Abstands
zwischen dem Schwenkpunkt und dem Ende der Faser beträgt bei diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung näherungsweise
9:1. Deshalb resultiert eine Verschiebung der Platte um eine spezielle
Größe in einer
entsprechenden Verschiebung des Endes der Faser um ein Neuntel dieser
Größe. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist es möglich,
die Platte innerhalb näherungsweise
1 μm (eines
Mikrometers) genau zu verschieben, was in einer entsprechenden Verschiebung
des Endes der Faser um näherungsweise
111 nm resultiert. Der maximale Drehwinkel ist auf 2° gesetzt. 4 stellt
einen beispielhaften Hebelentwurf dar, bei dem eine optische Faser 42 um
einen Punkt 40 schwenkt. Falls A gleich 2 mm gesetzt ist,
dann ist B gleich 18 mm bei einem Verhältnis von 9:1, weshalb bei
einem erforderlichen maximalen Drehungswinkel von 2° die maximale
Verschiebung C der Platte und die maximale Verschiebung D der Faserspitze berechnet
werden können
als C = 18 × tan(2)
= 0,629 mm D = 2 × tan(2) = 70 μm
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Die
Verschiebung E, die durch die Drehung des Hebels unausweichlich
bewirkt wird, wird wie folgt berechnet. E = 18 × (1 – cos(2))
= 2,74 μm
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Die
Faser wird durch eine Verschiebung der Platte 7 gedreht
und die Leistung des optischen Signals in der Faser wird gemessen.
Einmal in der Position, bei der eine maximale Leistung erhalten
wird, wird diese Position als die optimale Kopplungsposition aufgezeichnet.
Wenn einmal die optimale Kopplungseffizienz während der aktiven Ausrichtungsprozedur
durch eine Verschiebung der Platte 7 erreicht wurde, wird
die Platte 7 bei drei umfangsmäßig gleichmäßig voneinander beabstandeten
Punkten um die größere Apertur
der Befestigung 4 herum punktverschweißt. Es wurde herausgefunden,
dass drei gleichmäßig voneinander
beabstandete Schweißpunkte
sehr stabil sind, obgleich es möglich ist,
mehr Schweißstellen
zu verwenden. Bei den Schweißmaschinen,
die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet werden, ist es zweckmäßig, den Schweißer bzw.
das Schweißgerät um 60° zu drehen
und an drei mehr gleichmäßig voneinander
beabstandeten Punkten punktzuschweißen, um sechs gleichmäßig voneinander
beabstandete Punktschweißungen
zu erzeugen.
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Während das
Punktschweißen
der Platte eine gewisse Relativbewegung zwischen dem Ende der Faser 6 und
der Ausgangsfacette der Laserdiode 5 bewirken kann, bewirkt
eine jegliche Verschiebung der Platte eine Verschiebung der Faserspitze
von lediglich einem Neuntel dieser Verschiebung.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf 5, die eine perspektivische
Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels
der Erfindung zeigt, ist die Platte 7' detaillierter gezeigt. Der Entwurf
der Platte 7' begrenzt
die Größe eines „Spielraums" zwischen der Platte
und der Röhre 8' aus rostfreiem
Stahl, die auftritt, wenn die Platte verschoben wird. Falls eine kreisförmige Apertur
verwendet würde,
könnte
dann z. B. die Größe eines
Spielraums zwischen der Platte 7' und der Röhre 8' erheblich sein, wenn die Apertur nicht
genau den gleichen Durchmesser wie die Röhre 8' aufweisen würde.
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Idealerweise
ist die Platte 7' auf
eine derartige Weise hergestellt, dass die Platte eingebaute konzentrische
Belastungen aufweist, so dass die Platte eine hohe Reluktanz für eine koaxiale
Fehlausrichtung aufweist. Eine Technik besteht darin, ein Metallspritzgießen zu verwenden,
um die Platte zu fertigen. Wenn das Teil schrumpft, treten eingebaute
Belastungen auf.
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Für eine hohe
Zuverlässigkeit
ist es wichtig, dass die Anordnung geeignet abgedichtet ist. Jegliche
Zwischenräume
zwischen der Kugel und dem Sockel können unter Verwendung eines
Haftmittels nach dem zuvor beschriebenen aktiven Ausrichtungsprozess
abgedichtet werden.