DE68919327T2

DE68919327T2 - Halbleiterlasermodul und methode zu seiner justierung.

Info

Publication number: DE68919327T2
Application number: DE68919327T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Masuko; Kaoru Moriya; Masayuki Siga; Saburo Uno
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2009-03-02
Also published as: EP0363496B1; DE68919327D1; CA1313248C; US5074682A; EP0363496A1; WO1989008277A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft einen Halbleiter-Lasermodul, bei dem ein Halbleiter-Laserchip und eine optische Faser kombiniert sind, und ein Verfahren zur Positionierung der Komponenten eines derartigen Halbleiter-Lasermoduls.

STAND DER TECHNIK

Eine optische Monomodefaser mit einem Kern, dessen Durchmesser relativ klein ist (beispielsweise 10 um) wird nun weitläufig als ein optischer Übertragungspfad verwendet, da ihre Übertragungsverluste relativ gering sind und sie auf einen breiten Frequenzbereich angewendet werden kann.
Um mittels einer derartigen optischen Faser eine Übertragung über eine große Entfernung zu ermöglichen muß ein optischer Strahl, der von einem Halbleiterlaser bei einem Emissionswinkel ausgestrahlt wird, mit einer kleinen Eingangs-Stirnfläche der optischen Faser mit einem hohen Kopplungswirkungsgrad verbunden werden.
Falls der Laserstrahl an den Verbindungsabschnitten der optischen Faser oder in optischen Einrichtungen in den optischen Pfaden reflektiert wird, und wenn der reflektierte Strahl an den Halbleiterlaser zurückgefuhrt wird, wird die Oszillation der Laserstrahlemission instabil und infolge dessen kann das Rauschen in dem Laserstrahlsignal erhöht werden. Deshalb wird ein Halbleiter-Lasermodul mit einer Isolationsfunktion benötigt.
Auch die Komponenten, wie beispielsweise der Halbleiterlaser, eine Kollimatorlinse, eine Fokussierungslinse und dergleichen, die den Halbleiter-Lasermodul bilden, müssen genau relativ zueinander positioniert werden, so daß ein von dem Halbleiterlaser ausgesendeter Laserstrahl in die optische Faser mit einem hohen Kopplungswirkungsgrad eingeleitet wird.
Im Stand der Technik umfaßt ein bekanntes Halbleiter-Lasermodul: einen Halbleiter-Laserchip zum Aussenden eines Laserstrahls, eine Kollimatorlinse zur Kollimation des Laserstrahls in einen kollimierten oder ausgerichteten Strahl, eine Fokussierungslinse zum Fokussieren des kollimierten Strahls und eine optische Faser mit einer abgeschrägten Eingangsstirnfläche, auf die der Laserstrahl von der Fokussierungslinse gegeben wird. Eine derartige abgeschrägte Eingangsstirnfläche der optischen Faser besitzt Vorteile zur Verhinderung einer Rückführung des an der Eingangsstirnfläche des Halbleiterlasers reflektierten Laserstrahls.
Eine derartige Anordnung ist aus der JP-A-61-70516 bekannt. Die JP-A-61- 239 208 offenbart ein Kopplungsverfahren, bei dem die Mittelachse der Fokussierungslinse von der Ausgangsachse des Lasers versetzt ist. Die JP-A-62 52510 offenbart einen Modul, der unter Verwendung eines optischen Isolators an den Quellenlaser zurücklaufende Reflektionen vermeidet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Halbleiter-Lasermodul und ein Verfahren zur Positionierung seiner Komponenten vorzusehen, bei dem selbst in dem Fall, wenn ein von einem Halbleiter-Laserchip ausgesendeter Laserstrahl an der Eingangsstirnfläche reflektiert wird, verhindert wird, daß der reflektierte Laserstrahl an den Halbleiter-Laserchip zurückläuft.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Halbleiter-Lasermodul und ein Verfahren zur Positionierung seiner Komponenten vorzusehen, bei dem die Positionen dieser Komponenten, beispielsweise eines Halbleiter-Laserchips, einer Kollimatorlinse, einer Fokussierungslinse und einer optischen Kaser in einfacher Weise und genau ausgerichtet und relativ zueinander festgelegt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiter- Lasermodul vorgesehen, umfassend: einen Halbleiter-Laserchip zum Aussenden eines Laserstrahls; eine Kollimatorlinse zum Kollimieren des Laserstrahls in einen kollimierten Strahl; eine Fokussierungslinse zum Fokussieren des kollimierten Strahls; und eine optische Faser mit einer optischen Achse und einer geneigten Eingangs-Endfläche, durch die der Laserstrahl von der Fokussierungslinse eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fokussierungslinse umfaßt: eine erste Linse in einer Zwischenbaugruppe und eine zweite Linse in einer faserseitigen Baugruppe, die in bezug auf die Zwischenbaugruppe einstellbar ist;
die erste Linse so angeordnet ist, daß der auf die erste Linse einfallende und davon ausgesendete kollimierte Strahl eine von einer Mittelachse der ersten Linse versetzte aber dazu parallele optische Achse aufweist;
der auf die zweite Linse einfallende Laserstrahl darin so gebrochen wird, daß der von der zweiten Linse ausgehende Laserstrahl auf die optische Faser fällt; und
die optische Faser parallel zu dem kollimierten Strahl so angeordnet ist, daß der Laserstrahl nach einer Brechung an der geneigten Endfläche parallel zu der optischen Achse der optischen Faser ist.
In vorteilhafter Weise umfaßt der Halbleiter-Lasermodul ferner: ein erstes Gehäuse, welches den Halbleiter-Laserchip und die Kollimatorlinse enthält; ein zweites Gehäuse, welches die erste Linse enthält; ein drittes Gehäuse, welches die zweite Linse enthält; und ein viertes Gehäuse, welches die optische Faser enthält; wobei das erste und das zweite Gehäuse untereinander so verbunden sind, daß der von der ersten Linse ausgehende Laserstrahl parallel zur Nittelachse der ersten Linse ist; wobei die dritten und vierten Gehäuse so untereinander verbunden sind, daß der auf die zweite Linse fallende Laserstrahl parallel zur Mittelachse der zweiten Linse ist, und der davon ausgehende Laserstrahl somit auf die optische Faser entlang der optischen Achse davon einfällt; und wobei die zweiten und dritten Gehäuse so untereinander verbunden sind, daß der von der ersten Linse ausgehende parallele Laserstrahl dem auf die zweite Linse fallenden kollimierten Laserstrahl entspricht.
Vorzugsweise ist ein axialer Abstand zwischen den zweiten und dritten Gehäusen so eingestellt, daß der von der zweiten Linse ausgehende Laserstrahl auf der geneigten Eingangsendfläche fokussiert ist und auf die optische Faser entlang ihrer optischen Achse einfällt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Positionierung eines Halbleiter-Lasermoduls, wie im Anspruch 1 aufgeführt, vorgesehen, wobei die Fokussierungslinse eine erste Linse und eine zweite Linse umfaßt; die zweite Linse gegenüberliegend zu dem Eingangsende der optischen Faser angeordnet ist; die erste Linse an der Ausgangsseite der Kollimatorlinse angeordnet ist und in einem Gehäuse aufgenommen sind, wobei die erste Linse in bezug auf das Gehäuse in der folgenden Weise positioniert wird:
Anordnen einer Überwachungseinrichtung (65) an einer Eingangsseite der ersten Linse;
Eingeben eines Laserstrahls von dem Halbleiter-Laserchip auf die Überwachungseinrichtung durch die Kollimatorlinse und die erste Linse;
Drehen der ersten Linse unabhängig von der zweiten Linse, so daß der Laserstrahl einen vorgegebenen Kreis in der Überwachungseinrichtung beschreibt; und
Einstellen der ersten Linse in der Radialrichtung in bezug auf eine Achse des Gehäuses, so daß der Laserstrahl an der Mitte des Kreises positioniert wird.
In einem noch anderen Aspekt dieser Erfindung ist ein Halbleiter-Lasermodul vorgesehen, umfassend in einer Reihenanordnung: einen Halbleiter-Laserchip zum Aussenden eines Laserstrahls; eine Kollimatorlinse zum Kollimieren des Laserstrahls in einen parallelen Strahl; einen optischen Isolator; eine vordere Hälfte einer geteilten Grin-Stablinse; eine hintere Hälfte der geteilten Grin-Stablinse; und eine optische Faser mit einer optischen Achse und einer geneigten Eingangsendfläche; gekennzeichnet durch:
eine laserseitige Baugruppe zum positionsmäßigen Kombinieren des Halbleiter-Laserchips, der Kollimatorlinse und der vorderen Hälfte der geteilten Grin-Stablinse; eine Zwischenbaugruppe umfassend eine Einrichtung zum Festhalten der vorderen Hälfte der geteilten Grin-Stablinse;
eine faserseitige Baugruppe umfassend einen inneren Zylinder zum Festhalten der optischen Faser, einen äußeren Zylinder, in den der innere Zylinder in der axialen Richtung einstellbar eingefügt ist, und einen zylindrischen Linsenhalter zum Festhalten der hinteren Hälfte der geteilten Grin-Stablinse;
wobei der zylindrische Linsenhalter auf dem inneren Zylinder so angebracht, daß er in bezug auf die optische Achse der Faser radial einstellbar ist; und
wobei die Laserbaugruppe an der Zwischenlinsenbaugruppe festgemacht ist und wiederum die Zwischenlinsenbaugruppe an der Faserbaugruppe festgemacht ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung, die einen optischen Pfad in einem Halbleiter-Lasermodul dieser Erfindung zeigt;
Figur 2 einen anderen optischen Pfad;
Figur 3 einen noch anderen optischen Pfad;
Figur 4 eine schematische Darstellung, die eine Anordnung einer Fokussierungslinse und einer optischen Faser in dieser Erfindung zeigt;
Figur 5 ein Diagramm, die die Beziehung zwischen der Abweichung einer Linse (Δ) und dem Ausgangswinkel (θ&sub2;)zeigt;
Figur 6 einen optischen Pfad einer geteilten Grin-Stablinse;
Figur 7 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Halbleiter-Lasermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 8 einen optischen Pfad des Halbleiter-Lasermoduls aus Figur 7;
Figur 9 eine Einrichtung zum Einstellen des Halbleiter- Lasermoduls dieser Erfindung;
Figur 10 eine schematische Querschnittsansicht einer Einrichtung zum Anbringen eines Halbleiter-Laserchips und einer Kollimatorlinse in dieser Erfindung;
Figur 11 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Anbringungseinrichtung, die in Figur 10 gezeigt ist;
Figur 12 eine Draufsicht der Ausführungsform der in Figur 11 gezeigten Anbringungseinrichtung; und
Figur 13 eine schematische Darstellung einer Basisanordnung von Hauptkomponenten des Halbleiter-Lasermoduls.

BEVORZUGTE VORGEHENSWEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Vor der Erläuterung der Ausführungsformen dieser Erfindung wird nachstehend ein Grundprinzip eines Halbleiter- Lasermoduls unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben, wobei A einen Halbleiter-Laserchip zum Aussenden eines Laserstrahls bezeichnet; B eine Kollimatorlinse zum Kollimieren des Laserstrahls in einen kollimierten Strahl; C eine Fokussierungslinse zum Fokussieren des kollimierten Strahls; und D eine optische Faser mit einem Mittelkerh E und einer geneigten Eingangsstirnfläche, auf die der Laserstrahl von der Fokussierungslinse einfällt.
Wenn die Fokussierungslinse C und die optische Faser D so angeordnet sind, daß ihre Mittelachse und ihre Kernachse mit der optischen Achse des kollimierten Strahls von der Kollimatorlinse B übereinstimmen, wie in Figur 2 gezeigt, dann wird der einfallende Laserstrahl an der geneigten Eingangsstirnfläche gebrochen und läuft nicht entlang der Kernachse der optischen Faser D und deshalb wird der optische Kopplungswirkungsgrad verkleinert.
Wenn die optische Faser D wie in Figur 3 gezeigt dementsprechend so angeordnet ist, daß sie geneigt ist, so daß der gebrochene Laserstrahl entlang der Kernachse der optischen Faser einfällt, obwohl die Fokussierungslinse C in der gleichen Weise wie in Figur 2 angeordnet ist, wird der Wirkungsgrad der optischen Kopplung ganz offensichtlich erhöht. Trotzdem können die Komponenten des Halbleiter- Lasermoduls nicht einfach und genau positioniert werden, da die optische Faser D in bezug auf die Mittelachse der Fokussierungslinse C geneigt werden muß.
Deshalb ist gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Figur 1 gezeigt, die Fokussierungslinse C so angeordnet, daß die optische Achse des auf die Fokussierungslinse C fallenden kollimierten Strahls von der Mittelachse der Fokussierungslinse C versetzt ist und wegen dieser Versetzung wird der einfallende Laserstrahl an der geneigten Eingangsstirnfläche gebrochen und läuft entlang der Kernachse der optischen Faser D, obwohl die optische Faser D so angeordnet werden kann, daß ihre Kernachse parallel zur optischen Achse des kollimierten Strahls von der Kollimatorlinse B ist, in der gleichen Weise wie in Figur 2. Demzufolge wird der Wirkungsgrad der optischen Kopplung erhöht und die Komponenten des Halbleiter-Lasermoduls können leicht und genau positioniert werden.
Die relativen Positionen der optischen Faser und der Fokussierungslinse können durch eine einfache geometrische Berechnung bestimmt werden, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 beschrieben wird. Im Prinzip läuft der Laserstrahl entweder von links nach rechts oder umgekehrt, aber in Figur 4 durchläuft der Laserstrahl den gleichen optischen Pfad.
Unter der Annahme, daß der Lichtstrahl in Figur 4 von links nach rechts läuft gilt hier deshalb:
nc: Brechungsindex des Faserkerns;
α: Winkel der geneigen Stirnfläche der optischen Faser;
A: Konstante der Verteilung des Brechungsindex der Fokussierungslinse;
θ&sub1;: Einfallswinkel von der Fokussierungslinse;
θ&sub2;: Ausfallswinkel von der Fokussierungslinse;
r&sub1;: Radialabstand der Fokussierungslinse von der Einfallsposition zur Mittelachse;
r&sub2;: Radialabstand der Fokussierungslinse von der Ausfallsposition zur Mittelachse;
Z: axiale Länge der Fokussierungslinse
Z = (p: Teilung der Linse)
n(γ): Brechungsindex der Fokussierungslinse; n(γ) ist durch die folgende Gleichung gegeben:
n(γ) n&sub0;(1 - 1/2 Ar²) . . .(1)
Der Lichtstrahl läuft entlang eines optischen Pfades, der durch eine geometrische Berechnung wie folgt gegeben ist:
Andererseits ist der Einfallswinkel von der Fokussierungslinse (d.h., der optimale Einfallswinkel auf die geneigte Stirnfläche der optischen Faser) θ&sub1; durch die folgende Gleichung gegeben:
No sin α = sin (θ&sub1; + α)
θ&sub1; = sin&supmin;¹ (nc sin α) - α (3)
Unter der Annahme, daß in der obigen Gleichung (2) θ&sub2; = 0 gilt, können somit r&sub1; und r&sub2; bestimmt werden. In diesem Fall bezieht sich r&sub2; auf eine Einfallsposition des parallelen Strahls in Figur 1.
In Figur 5 ist auf der Abszisse Δ (um) die Versetzung der Linse aufgetragen, d.h. der Abstand zwischen der optischen Achse der Faser und der Mittelachse der Fokussierungslinse und auf der Ordinate θ&sub2; ist der Winkel des von der Fokussierungslinse ausgehenden Lichtstrahls aufgetragen. Die Ordinate zeigt den Absolutwert von θ&sub2; an, wobei θ&sub2; sowohl in der positiven Richtung (einen in Figur 4 nach oben gerichteten Strahlausgang) als auch in der negativen Richtung (einen in Figur 4 nach unten gerichteten Strahlausgang) ansteigt.
Die numerischen Zusammenhänge des in Figur 5 gezeigten Diagramms sind wie folgt:
nc (Brechungsindex des Faserkerns) = 1,592, A = 0,327 (mm)&supmin;¹;
p (Teilung der Linse) = 0,16;
α (Winkel der geneigten Einfallsstirnfläche) = 6º; (axialer Abstand zwischen Faser und Linse) = 0,05 mm;
deshalb ist in diesem Fall Δ = 50 um.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Figur 6 eine Linse vom geteilten Brechungsindex-Verteilungstyp beschrieben, die in einer Ausführungsform dieser Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden kann.
Bei der Linse vom Brechungsindex-Verteilungstyp (Grin- Stablinse) handelt es sich um eine zylindrische Stablinse, bei der der Brechungsindex von einer Mittelachse davon allmählich abnimmt. Deshalb läuft ein parallel zur Mittelachse einfallender Lichtstrahl in der Linse durch einen optischen Pfad einer sinusförmigen Welle.
In einer Grin-Stablinse mit einer 1/4 Teilungslänge wird deshalb ein auf eine der Endflächen davon einfallender kollimierter Lichtstrahl an einer Mittenposition der anderen Endfläche fokussiert.
Wenn eine derartige Grin-Stablinse mit einer 1/4 Teilungslänge an einer von der Einfalls-Endfläche beabstandeten gewünschten Position abgeschnitten wird und ein dünner Scheibenabschnitt davon entfernt wird kann eine neue geteilte Grin-Stablinse umfassend eine vordere Hälfte 4-1 und eine hintere Hälfte 4-2 wie in Figur 6 gezeigt vorgesehen werden.
In einer derartigen geteilten Grin-Stablinse umfassend eine vordere Hälfte 4-1 und eine hintere Hälfte 4-2 ist der Axialabstand zwischen den vorderen und hinteren Hälften 4-1 und 4-2 vorzugsweise derart, daß ein parallel auf die Mittelachse davon auf die Einfallsstirnfläche der vorderen Hälfte 4-1 einfallender Lichtstrahl an einer gewünschten Position von der Ausgangsstirnfläche der hinteren Hälfte 4-2 entfernt fokussiert wird.
Nun wird auf Figur 7 Bezug genommen, die eine Ausführungsform eines Halbleiter-Lasermoduls dieser Erfindung darstellt, welcher umfaßt: eine laserseitige Baugruppe 10 mit einem Halbleiter-Laserchip, beispielsweise einer Laserdiode 1 zum Aussenden eines konusförmigen Laserstrahls; eine Kollimatorlinse 2 zum Kollimieren des Laserstrahls in einen kollimierten Strahl; einen optischen Isolator 3 zur Vermeidung des zurückgeführten Lichts des Laserstrahls; eine Zwischenlinsen-Baugruppe 40 mit einer vorderen Hälfte 4-1 einer geteilten Grin-Stablinse; und eine faserseitige Baugruppe 50 mit einer hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse und eine optische Faser 6, die geeignet untereinander verbunden sind.
Der Halbleiter-Laserchip ist in ein Ende eines zylindrischen Lochs eines Halters 21 eingefügt und auf der Achse davon fixiert. Andererseits befindet sich die Kollimatorlinse 2 an dem anderen Ende davon und ist an einer vorgegebenen Position so fixiert, daß die Mittelachse davon mit der optischen Achse des von dem Laserchip 1 ausgesendeten Laserstrahls übereinstimmt. Der Halter 21 ist auf einem Steg 24 befestigt, welcher mit einer Kappe 23 zur Aufrechterhaltung eines hermetischen Verschlußzustands abgedeckt ist, und er ist in ein Mittelloch eines zylindrischen Gehäuses 22 eingefügt, welches beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist. Der Steg 24 besitzt einen Flanschabschnitt, der an der Endfläche des Gehäuses 22 beispielsweise mittels Schrauben befestigt ist.
Andererseits befindet sich ein Faraday-Rotor 31 in dem Magnetfeld eines Permanentmagneten 34, ein Polarisator und ein Analysator sind vor bzw. hinter dem Faraday-Rotor 31 angeordnet, um einen optischen Isolator 3 zu bilden, der sich in einem Mittelloch eines beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellten Isolatorgehäuses 35 befindet und an der laserseitigen Baugruppe 10 befestigt ist, in dem die Anlageflächen des Isolatorgehäuses 35 und des Gehäuses 22 verschweißt werden.
Die vordere Hälfte 4-1 der geteilten Grin-Stablinse ist in einen zylindrischen Linsenhalter 45 eingepaßt, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt und einen Flanschabschnitt aufweist, um die Zwischenlinsen-Baugruppe 40 zu bilden.
In der faserseitigen Baugruppe 50 ist ein Eingangsende der optischen Faser 6 fest in ein kleines Mittelloch einer zylindrischen Hülse 61 eingefügt. Die Einfalls-Stirnfläche der optischen Faser und der zylindrischen Hülse 61 sind in geeigneter Weise um 3 bis 10º in bezug auf die Achse der optischen Faser 6 geneigt.
Ein zylindrischer innerer Körper 52, welcher beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, besitzt ein abgestuftes Mittelloch, welches Abschnitte mit größeren und kleineren inneren Durchmessern aufweist. Die zylindrische Hülse 61 ist fest in den kleineren diametralen Abschnitt des abgestuften Mittellochs eingefügt.
Ein Linsenhalter 51, welcher beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, besitzt einen Flanschabschnitt und ein Mittelloch, in das die hintere Hälfte 4-2 der geteilten Grin- Stablinse fest eingefügt ist. Der äußere Durchmesser des Linsenhalters 51 ist kleiner als der innere Durchmesser des größeren Abschnitts des abgestuften Mittellochs des inneren Zylinders 52 und der äußere Durchmesser des Flanschabschnitts des Linsenhalters 51 ist kleiner als der äußere Durchmesser des inneren Zylinders 52.
Ein äußerer Zylinder 53, welcher beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, besitzt einen Flanschabschnitt und ist verschiebbar auf die äußere zylindrische Fläche des inneren Zylinders 52 aufgepaßt.
Wie voranstehend erwähnt umfaßt die faserseitige Baugruppe 50 die optische Faser 6, die Hülse 61, den mit Flanschen versehenen Linsenhalter 51, den inneren Zylinder 52 und den äußeren Zylinder 53.
Die faserseitige Baugruppe 50 ist wie folgt aufgebaut. Die Radialpositionen der optischen Faser 6 und der hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse werden zunächst relativ zueinander und in bezug auf den inneren Zylinder 52 eingestellt und dann werden diese Elemente und der mit Flanschen versehene Linsenhalter 51 aneinander befestigt, beispielsweise mittels Verschweißung.
Nachstehend wird der Positioniervorgang ausführlich unter Bezugnahme auf Figur 9 erläutert. Eine Lichtquelle, beispielsweise ein Halbleiterlaser 11 wird zunächst mit einem Ausgangsende der optischen Faser 6 verbunden und eine Infrarot-Videokamera 65 befindet sich auf der Seite der hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse und ein Monitor-Anzeigegerät 66 ist mit der Infrarot-Videokamera 65 verbunden.
Während das Monitor-Anzeigegerät 66 überwacht wird, wird deshalb der mit Flanschen versehene Linsenhalter 51 in der Richtung der X- und Y-Achsen, d.h. in der Radialrichtung so eingestellt, daß der von der hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse ausgehende Lichtstrahl parallel zur Z-Achse, d.h. der Axialrichtung wird.
Insbesondere wird der mit Flanschen versehene Linsenhalter 51 in dem inneren Zylinder 52 um eine gewählte Achse (beispielsweise die Achse der optischen Faser 6) gedreht und somit beschreibt der Verlauf des von der hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-stablinse ausgehende Lichtstrahl einen Kreis in dem Sichtfenster des Monitor-Anzeigegeräts 66. Dann wird der mit Flanschen versehene Linsenhalter 51 bewegt und in den Richtungen der X- und Y-Achsen, d.h. in der Radialrichtung so eingestellt, daß die optische Achse des von der hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse ausgehenden Lichtstrahls koaxial zu dem voranstehend erwähnten Kreis wird. Mittels einer derartigen Einstellung wird die optische Achse des von der hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse ausgehenden Lichtstrahls parallel zur Achse der optischen Faser 6.
Die Positionierungseinstellung der laserseitigen Baugruppe 10 und der Zwischenlinsen-Baugruppe 40 kann in der gleichen Weise wie oben beschrieben durchgeführt werden und demzufolge liegt eine Endstirnfläche der laserseitigen Baugruppe 10 vorläufig an einer Endfläche der Zwischenlinsen-Baugruppe 40 an, eine Infrarot-Videokamera befindet sich auf der Seite der vorderen Hälfte 4-1 der geteilten Grin-Stablinse und ein Monitor-Anzeigegerät ist mit der Infrarot-Videokamera verbunden. Insbesondere wird ein Einstellvorgang der Zwischenlinsen-Baugruppe 40 in der gleichen Weise wie der Einstellvorgang der faserseitigen Baugruppe 50 ausgeführt.
Somit wird der von dem Halbleiter-Laserchip 1 ausgesendete und über die Kollimatorlinse 2, den optischen Isolator 3 und die vordere Hälfte 4-1 der geteilten Grin-Stablinse übertragene Lichtstrahl durch die Infrarot-Videokamera überwacht und die Zwischenlinsen-Baugruppe 40 wird in die Richtungen der X- und Y-Achsen, d.h. in der Radialrichtung so eingestellt, daß der davon ausgehende Lichtstrahl parallel zur Z-Achse wird. Nachdem der Einstellvorgang beendet ist wird der Linsenhalter 45 beispielsweise mittels Verschweißen an der Endfläche des Isolatorgehäuses 35 befestigt.
Um die faserseitige Baugruppe 50 an der Zwischenlinsen- Baugruppe 40 zu befestigen, wird die Endfläche des äußeren Zylinders 53 in Anlage mit der Endfläche der Zwischenlinsen- Baugruppe 40 gebracht und eine Energie des von dem Halbleiter-Laserchip 1 ausgehenden Lichtstrahls wird auf der Seite der optischen Faser 6 überwacht. Während die optische Energie überwacht wird, wird deshalb der innere Zylinder 52 zur Einstellung des inneren Zylinders 52 mittels Verschieben bewegt und dann mittels Laserverschweißung an dem äußeren Zylinder 53 befestigt.
Während die Endfläche des Linsenhalters 45 in Anlage an der Endfläche des äußeren Zylinders 53 gebracht wird, wird dann die faserseitige Baugruppe 50 mittels Verschieben in den X- und Y-Richtungen, d.h. in der Radialrichtung so bewegt, daß die optische Energie des von der optischen Faser 6 ausgehenden Lichtstrahls maximiert wird. Nachdem der Einstellvorgang beendet ist, wird der äußere Zylinder 53 an dem Linsenhalter 45 mittels Laserschweißen befestigt.
Figur 8 zeigt den optischen Pfad des Halbleiter-Lasermoduls dieser Ausführungsform, die wie voranstehend erwähnt aufgebaut ist. In der laserseitigen Baugruppe 10 wird der von dem Halbleiter-Laserchip 1 ausgehende und als ein Konus ausgeweitete Laserstrahl mittels der Kollimatorlinse 2 in einen kollimierten Strahl kollimiert und tritt in den optischen Isolator 3 ein.
Aufgrund einer möglichen Abweichung zwischen den optischen Achsen des Halbleiter-Laserchips 1 und der Kollimatorlinse 2 oder dergleichen kann ein in bezug auf die Achse des Halters 21 geneigter Laserstrahl von der laserseitigen Baugruppe 10 ausgesendet werden.
Da jedoch gemäß der voranstehend beschriebenen Ausführungsform die Zwischenbaugruppe 45 eingestellt worden ist, wird der von der vorderen Hälfte 4-1 der geteilten Grin- Stablinse abgegebene Laserstrahl parallel zur optischen Achse und ein konvergierter Lichtstrahl, und zwar unabhängig davon, ob der Einfallsstrahl zur Mittelachse der vorderen Hälfte 4-1 der geteilten Grin-Stablinse geneigt oder parallel ist.
Deshalb tritt ein derartiger optischer Strahl in die hintere Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse ein und während er durch die hintere Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse übertragen wird, wird der optische Strahl in die Richtung der Achse der optischen Faser 6 gebrochen und weiter zusammengefaßt. Demzufolge wird bewirkt, daß der optische Strahl auf die Einfallsfläche der optischen Faser 6 mit einem geeigneten Einfallswinkel einfällt.
Wie aus der obigen Beschreibung klar ersichtlich ist, werden bei dem Halbleiter-Lasermodul gemäß der vorliegenden Erfindung die erforderlichen Einstellungen nur in den X- und Y-Richtungen und der axialen Richtung in bezug auf die optische Faser 6 vorgenommen und deshalb kann der Einstellvorgang sehr leicht durchgeführt werden und der Kopplungswirkungsgrad ist sehr hoch.
Da die Einfallsstirnfläche der optischen Faser 6 geneigt ist, wird sogar dann, wenn ein Teil des von der hinteren Hälfte 4-2 der geteilten Grin-Stablinse abgegebenen optischen Strahls durch die Endstirnfläche der optischen Faser 6 und der Hülse 61 reflektiert wird, der reflektierte Strahl nicht an den Halbleiter-Laserchip 1 zurückgeführt, da die Endfläche zur optischen Achse des Laserstrahls geneigt ist.
Ferner wird selbst dann, wenn ein Teil des optischen Strahls durch die optische Faser 6 zurückgeführt oder durch die vordere Hälfte 4-1 der geteilten Grin-Stablinse reflektiert wird, die Zurückführung eines derartigen Strahls durch den optischen Isolator 3 verhindert.
Deshalb wird gemäß dem Halbleiter-Lasermodul dieser Erfindung der reflektierte Strahl in vorteilhafter Weise von der Rückkehr an die Lichtquelle, d.h. den Halbleiter-Laserchip 1 abgehalten.
Figur 10 zeigt schematisch e-inen Teil einer Laserbaugruppe, d.h. eine Kombination eines Halbleiter-Laserchips und einer Kollimatorlinse. Die Kollimatorlinse 72 ist fest auf einem zylindrischen Linsenhalter 73 mit einem äußeren Gewindeabschnitt angebracht und der Linsenhalter 73 ist in ein Abstandsstück 24 eingeschraubt, welches auf der flachen Oberfläche eines Chipträgers 75 befestigt ist, auf dem ein Halbleiter-Laserchip 71 fest angebracht ist. Deshalb ist der Linsenhalter 73 an dem Abstandsstück 74 befestigt und der letztere ist wiederum an dem Chipträger 75 beispielsweise mittels Laserverschweißen befestigt.
Die Figuren 11 und 12 sind eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer Ausführungsform der Laserbaugruppe. Ein Halbleiter-Laserchip 81, beispielsweise eine Laserdiode (LD) ist auf einem Chipträger 82 angebracht, welcher in dieser Ausführungsform ein beispielsweise aus einem Diamanten hergestelltes Chip-Halteelement 83, auf dem der LD-Chip 81 direkt angebracht ist, eine beispielsweise aus Kupfer hergestellte Wärmesenke 84 zur Wärmeabstrahlung und einen Linsenhalter 85 zum Halten einer Kollimatorlinsen-Baugruppe umfaßt. Der Linsenhalter 85 besitzt ein Durchloch 85a an einer dem LD-Chip 81 gegenüberliegenden Position und ein Abstandsstück 86 ist in dieses Durchloch 85a eingefügt. Das Abstandsstück 86 ist an der dem LD-Chip 81 gegenüberliegenden Seite mit einem Flansch 86a versehen, der einen größeren Durchmesser als der Durchmesser des Durchlochs 85a aufweist und somit kann der Flansch 86a auf dem flachen Abschnitt 85b des Linsenhalters 85 mittels Verschieben bewegt werden, um die Position des Abstandsstücks 86 in einer zur optischen Achse des Abstandsstücks 86 senkrechten Ebene einzustellen. Das Abstandsstück 86 besitzt einen zylindrischen Körper 86b, in den ein zylindrischer Linsenhalter 87 eingeschraubt ist und eine Kollimatorlinse 88, beispielsweise eine sphärische Linse ist an der Innenseite des Linsenhalters 87 befestigt, beispielsweise mittels einer Preßpassung. Da der Linsenhalter 87 mit dem Abstandsstück 86 in einem Gewindeeingriff steht, kann die Kollimatorlinse 88 leicht in die Richtung der optischen Achse bewegt werden, um den Fokussierungspunkt davon mittels Drehung des Linsenhalters 87 einzustellen.
Nachdem die Fokussierungs und Ausrichtungs-Einstellungen der Kollimatorlinse 88 durch die Gewinde- und Verschiebe- Bewegungen abgeschlossen sind, werden Laserverschweißungsstrahlen gleichzeitig wie mit den Pfeilen A angedeutet eingestrahlt, und deshalb werden Schweißpunkte wie mit B angezeigt gebildet. Mittels der Laserstrahlverschweißung kann der Befestigungsvorgang sofort abgeschlossen werden und somit kann irgendeine mögliche Abweichung der optischen Achse in vorteilhafter Weise verhindert werden, obwohl eine derartige Abweichung auftreten könnte, wenn die Komponenten beispielsweise mittels eines Klebevorgangs aneinander befestigt würden. Außerdem ändert sich der optische Kopplungswirkungsgrad auch während einer Langzeitverwendung nicht, obwohl derartige Anderungen auftreten könnten, wenn die Komponenten beispielsweise mittels einer Lötmittel-Verschweißung aneinander befestigt würden.
Demzufolge ist es erforderlich, gleichzeitig Laserschweißstrahlen auf eine Vielzahl von Punkten zu strahlen, um eine Verschiebung der optischen Achse aufgrund einer Wärmeschrumpfung zu vermeiden, die in dem Abstandsstück oder dergleichen während des Schweißvorgangs ungleichmäßig auftreten könnte.
Obwohl die Anzahl und Positionen der Laserschweißpunkte nicht beschränkt sind, ist es vorteilhaft die Laserschweißstrahlen an Positionen aufzustrahlen, die zur optischen Achse symetrisch sind, wie in Figur 12 gezeigt, um eine gleichmäßige Wärmeschrumpfung zu erhalten. Demzufolge wird die Wärmeschrumpfung an den verschiedenen Positionen um die optische Achse kompensiert.
Ferner ist es auch vorteilhaft, daß das Abstandsstück 86 oder der Linsenhalter 87 eine Form aufweisen, die symetrisch zur optischen Achse ist. In einem Zustand der Umgebung, in der der Halbleiter-Lasermodul verwendet wird, kann deshalb eine Abweichung der optischen Achse aufgrund der Wärmeausdehnung oder Wärmeschrumpfung aufgrund von Temperaturänderungen in vorteilhafter Weise durch eine derartige symetrische Gestalt minimiert werden.
Die Figur 13 zeigt schematisch einen Halbleiter-Lasermodul mit einer Laserbaugruppe LA, die einen Halbleiter-Laserchip A und eine Kollimatorlinse B wie voranstehend erwähnt umfaßt und mit einer Faser-Baugruppe FA, die eine Fokussierungslinse C und eine optische Faser D umfaßt.

Claims

1. Halbleiter-Lasermodul, umfassend: einen Halbleiter- Laserchip (1) zum Aussenden eines Laserstrahls; eine Kollimatorlinse (2) zum Kollimieren des Laserstrahls in einen kollimierten Strahl; eine Fokussierungslinse (4-1, 4-2) zum Fokussieren des kollimierten Strahls; und eine optische Faser mit einer optischen Achse und einer geneigten Eingangsendfläche, durch die der Laserstrahl von der Fokussierungslinse eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß

die Fokussierungslinse umfaßt: eine erste Linse (4-1) in einer Zwischen-Baugruppe (40) und eine zweite Linse (4-2) in einer faserseitigen Baugruppe (50), die in bezug auf die Zwischen-Baugruppe einstellbar ist;

die erste Linse so angeordnet ist, daß der auf die erste Linse einfallende und davon ausgesendete kollimierte Strahl eine von einer Mittelachse der ersten Linse versetzte aber dazu parallele optische Achse aufweist;

der auf die zweite Linse einfallende Laserstrahl darin so gebrochen wird, daß der von der zweiten Linse ausgehende Laserstrahl auf die optische Faser einfällt; und

die optische Faser parallel zu dem kollimierten Strahl so angeordnet ist, daß nach einer Brechung an der geneigten Endfläche der Laserstrahl parallel zur optischen Achse der optischen Faser ist.

2. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Isolator (3) zwischen der Kollimatorlinse und der Fokussierungslinse angeordnet ist.

3. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1, ferner umfassend:

ein erstes Gehäuse (21), welches den Halbleiter- Laserchip und die Kollimatorlinse enthält;

ein zweites Gehäuse (45), welches die erste Linse enthält;

ein drittes Gehäuse oder ein zylindrischer Linsenhalter (51), der die zweite Linse enthält;

ein viertes Gehäuse (61), welches die optische Faser enthält;

wobei die ersten und zweiten Gehäuse so untereinander verbunden sind, daß der von der ersten Linse ausgehende Laserstrahl parallel zur Mittelachse der ersten Linse ist;

wobei die dritten und vierten Gehäuse so untereinander verbunden sind, daß der auf die zweite Linse allende Laserstrahl parallel zur Mittelachse der zweiten Linse ist und somit der davon ausgehende Laserstrahl auf die optische Faser einfällt und nach einer Brechung an der geneigten Endfläche der Laserstrahl parallel zu der optischen Achse der Faser ist; und

wobei die zweiten und dritten Gehäuse so untereinander verbunden sind, daß der von der ersten Linse ausgehende kollimierte Laserstrahl mit dem auf die zweite Linse einfallenden kollimierten Laserstrahl übereinstimmt.

4. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Abstand zwischen den zweiten und dritten Gehäusen so eingestellt ist, daß der von der zweiten Linse ausgehende Laserstrahl auf der geneigten Eingangsendfläche fokussiert wird und auf die optische Faser entlang der optischen Achse davon einfällt.

5. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1, ferner umfassend ein erstes Gehäuse (21) zum Anbringen des Halbleiter- Laserchips und der Kollimatorlinse, wobei das Gehäuse umfaßt:

einen zylindrischen Kollimatorlinsenhalter zum Festhalten der Kollimatorlinse, wobei der Linsenhalter einen äußeren Gewindeabschnitt aufweist;

ein Abstandselement mit einem inneren Gewindeloch, mit dem der äußere Gewindeabschnitt des Kollimatorlinsenhalters in Eingriff steht;

einen Chipträger zum Festhalten des Halbleiter- Laserchips, wobei der Chipträger eine flache Oberfläche aufweist, auf dem das Abstandselement festgeklebt ist; und

eine Einrichtung zum Befestigen des Kollimatorlinsenhalters an dem Abstandselement und des Abstandselements an dem Chipträger mittels Verschweißung.

6. Halbleiter-Lasermodul nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinse eine geteilte Grin-Stablinse ist, wobei der Halbleiter- Laserchip und die Kollimatorlinse in einer laserseitigen Baugruppe (10) kombiniert sind;

die Zwischen-Baugruppe (40) eine Einrichtung zum Festhalten der vorderen Hälfte der geteilten Grin- Stablinse umfaßt;

die faserseitige Baugruppe (50) umfaßt einen inneren Zylinder (52) zum Festhalten der optischen Faser, einen äußeren Zylinder (53), in den der innere Zylinder in der axialen Richtung einstellbar eingefügt ist, und einen zylindrischen Linsenhalter (51) zum Festhalten der hinteren Hälfte der geteilten Grin-Stablinse;

wobei der zylindrische Linsenhalter auf dem inneren Zylinder (52) so angebracht ist, daß er in bezug auf die optische Achse der Faser radial einstellbar ist; und

wobei die Laserbaugruppe an der Zwischenlinsen-Baugruppe befestigt ist und wiederum die Zwischenlinsen-Baugruppe an der Faser-Baugruppe befestigt ist.

7. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Linsenhalter einen radialen Flansch aufweist, der mit einer Endfläche des inneren Zylinders in Kontakt steht.

8. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Isolator einen Faraday- Rotor mit jeweiligen Enden umfaßt, die mit einem Polarisator bzw. einem Analysator versehen sind.

9. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Baugruppen ein aus rostfreiem Stahl hergestelltes Gehäuse umfaßt und die Gehäuse der Baugruppen untereinander mittels Laserverschweißung verbunden sind.

10. Verfahren zur Positionierung eines Halbleiter- Lasermoduls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinse eine erste Linse und eine zweite Linse umfaßt; die zweite Linse gegenüberliegend zu dem Eingangsende der optischen Faser angeordnet ist; die erste Linse an der Ausgangsseite der Kollimatorlinse angeordnet ist und der Halbleiter-Laserchip und die Kollimatorlinse in einem Gehäuse aufgenommen sind, wobei die erste Linse in bezug auf das Gehäuse in der folgenden Weise positioniert wird:

Anordnen einer Überwachungseinrichtung (65) an einer Einfallsseite der ersten Linse;

Eingeben eines Laserstrahls von dem Halbleiter-Laserchip in die Überwachungseinrichtung durch die Kollimatorlinse und die erste Linse;

Drehen der ersten Linse unabhängig von der zweiten Linse, so daß der Laserstrahl einen vorgegebenen Kreis in der Überwachungseinrichtung beschreibt; und

Einstellen der ersten Linse in der radialen Richtung in bezug auf eine Achse des Gehäuses, so daß der Laserstrahl an der Mitte des Kreises positioniert wird.

11. Positionierverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung eine Infrarot-Videokamera und ein optisches Sichtfenster umfaßt, auf dem ein Bild des Lichtstrahls ermittelt wird, und der von dem Ausgangs ende der optionalen Faser ausgegebene Lichstrahl ein Infrarot-Strahl ist.

12. Positionierverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Isolator (3) zwischen der Kollimatorlinse und der ersten Linse angeordnet wird.

13. Positionierverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Lasermodul ferner umfaßt ein erstes Gehäuse, welches den Halbleiter- Laserchip und die Kollimatorlinse enthält; ein zweites Gehäuse, welches die erste Linse enthält; ein drittes Gehäuse, welches die zweite Linse enthält; und ein viertes Gehäuse, welches die optische Faser enthält; wobei das Positionierverfahren außerdem die folgenden Schritte umfaßt:

Einstellen der Positionen der ersten und zweiten Gehäuse relativ zueinander;

Einstellen der Positionen der dritten und vierten Gehäuse relativ zueinander; und

Einstellen der Positionen der zweiten und dritten Gehäuse relativ zueinander, so daß der Lichtstrahl von der optischen Faser mit dem Laserstrahl von dem Halbleiter-Laserchip übereinstimmt.

14. Positionierverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Abstand zwischen den zweiten und dritten Gehäusen so eingestellt wird, daß der von der in dem dritten Gehäuse aufgenommenen zweiten Linse ausgehende Laserstrahl auf einer Kernachsenposition der geneigten Stirnfläche des Eingangsendes der in dem vierten Gehäuse aufgenommenen optischen Faser fokussiert wird.

15. Positionierverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Lasermodul ferner umfaßt: eine Einrichtung zum Anbringen des Halbleiter- Laserchips und der Kollimatorlinse, wobei die Anbringungseinrichtung umfaßt einen zylindrischen Linsenhalter zum Festhalten der Kollimatorlinse, wobei der Linsenhalter einen äußeren Gewindeabschnitt aufweist; ein Abstandselement mit einem Innenlochgewinde, mit dem der äußere Gewindeabschnitt des Linsenhalters in Eingriff steht; einen Chipträger zum Festhalten des Halbleiter-Laserchips, wobei der Chipträger eine flache Oberfläche aufweist, an der das Abstandselement angeklebt ist; wobei das Positionierverfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Einstellen der Position des Abstandselements auf der flachen Oberfläche des Chipträgers, so daß die optische Achse des von dem Halbleiter-Laserchip ausgehenden Laserstrahls mit demjenigen der Kollimatorlinse übereinstimmt;

Drehen des Linsenhalters in dem Gewindeloch des Abstandselements, so daß der von der Kollimatorlinse ausgehende Laserstrahl ein kollimierter Strahl wird; und

Befestigen des Linsenhalters an dem Abstandselement und des Abstandselements an dem Chipträger mittels Verschweißung.