DE68920765T2 - Zusammenbau von elektrooptischen Halbleiter-Bauelementen. - Google Patents

Zusammenbau von elektrooptischen Halbleiter-Bauelementen.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiteraufbauten und insbesondere auf Halbleiterlasergehäuse mit externen Resonatoren sowie Laserverstärkergehäusen, die für den Einbau in optische Kommunikationssysteme geeignet sind, und auf Geräte für elektrische Überwachung beweglicher optischer Elemente innerhalb eines Elementgehäuses.
  • Kohärente optische Kommunikationssysteme bieten potentiell größere Empfindlichkeit, jedoch ist es für die Erfassung in solchen Systemen notwendig, eine kontinuierlich abstimmbare schmalbandige Einmodenquelle zu haben. Solch eine Quelle ist ein Laser mit externem Resonator, bei welchem eine Halbleiterlaserfacette antireflexbeschichtet ist, um interne Rückkopplung zu reduzieren, und eine selektierte Wellenlänge zurück in den Laser reflektiert wird, um für Dominanz dieser Wellenlänge im Laserausgang zu sorgen. Reflexion findet gewöhnlich an einem extern angeordneten Beugungsgitter statt, das den externen Resonator bildet. Um auf andere Wellenlängen überzugehen, kann das Gitter rotiert werden, so daß es eine andere Gitterperiode zeigt, oder es kann verschoben werden, so daß sich die Resonatorlänge ändert. Wenn das Gitter rotiert wird, ändert sich der Durchlaßbereich der reflektierten Wellenlängen und es kann passieren, daß der Durchlaßbereich bei genügender Rotation seinen Schwerpunkt auf einer anderen Mode oder zwischen zwei Moden erhält. Anderung der Resonatorlänge ändert die Modenpositionen, und daher wird sich eine auf dem Gitterdurchlaßbereich zentrierte Mode über den Durchlaßbereich entsprechend der Änderung der Gitterposition verschieben. Daher ist es möglich, durch gleichzeitiges Drehen und longitudinales Verschieben die Wellenlänge des Gitterdurchlaßbereiches (durch Drehung) zu verschieben, jedoch auf der gleichen Mode zentriert zu halten (durch Änderung der Resonatorlänge) und Modenspringen zu vermeiden. Es ist notwendig, Modenänderungen während der Erfassung zu verhindern, da die Steuerschaltungen auf Feinjustierung eingestellt sind und nicht mit den relativ massiven Änderungen bei einem Modenwechsel fertig werden.
  • Bei Labortestaufbauten wird die Justage der Gitterposition manuell mit Mikrometerschrauben durchgeführt, und die Komponenten sind alle beweglich und ausrichtbar. Während ein solcher Aufbau für Untersuchungszwecke ausreicht, ist es für die Implementierung in tatsächlichen Kommunikationssystemen notwendig, eine automatische Steuerung vorzusehen, ein dauerhaftes Gehäuse für den Laser zu haben, das konstant ausgerichtet und hermetisch gegen die Umwelt abgedichtet ist. Ähnliche Probleme tauchen beim Einbau von Empfängerelementen wie z.B. durchstimmbaren Laserverstärkern in Gehäusen auf.
  • Das Ziel der Erfindung ist es, für Systemaufbauten ein praktisches Gehäuse für Elemente zu schaffen, die hermetisch dicht verpackt werden müssen.
  • In Electronics Letters, Bd. 21, Nr. 3, 31.1.1985, S. 113 - 115, wird ein Laser mit externem Resonator in einem Gehäuse offenbart, bei welchem eine Laserdiode, eine Linse und ein Gitteraufbau fest auf einer Siliziumgrundplatte montiert sind. Der Gitteraufbau besteht aus Gitter und Rückplatte, mittels piezoelektrischer Translatoren voneinander beabstandet und einem festen Drehpunkt, so daß das Gitter um zwei orthogonale Achsen parallel und senkrecht zu den Gitterstrichen gedreht werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung sieht einen Halbleiteraufbau vor, der umfaßt ein lichtemittierendes Element und ein optisches Filterelement, wobei das lichtemittierende Element innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses mit einem transparenten Abschnitt für den Durchgang von Licht zu dem besagten optischen Filterelement außerhalb des hermetisch abgedichteten Gehäuses versehen ist, wobei das besagte optische Filterelement auf einem Trägerteil montiert ist, welches seinerseits montiert ist auf einem Gerät, das eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen umfaßt, wobei das Trägerteil relativ zu den besagten piezoelektrischen Elementen mittels mechanischer Justagevorrichtungen justierbar ist, die Vorrichtungen zur Grobjustage des optischen Filterelementes relativ zum lichtemittierenden Element darstellen, und wobei das besagte Gerät so angeordnet ist, daß selektive Verlängerung und/oder Verkürzung der piezoelektrischen Elemente eine Dreh- und Translationsbewegung des optischen Filterelementes bewirkt, wodurch eine Vorrichtung für die Feinjustage des optischen Filterelementes geschaffen ist, wobei das Trägerteil sich im wesentlichen parallel zu den piezoelektrischen Elementen erstreckt und diese überlappt, und wobei der externe Aufbau des hermetisch abgedichteten Gehäuses im wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das lichtemittierende Element ein Halbleiterlaser und das optische Filterelement ein Gitter, das einen externen Resonator definiert. Eine andere Ausführungsform umfaßt einen Laserverstärker mit einem durchstimmbaren Filter: Das Filter kann ein Reflexions- oder Transmissionsfilter sein.
  • Die Erfindung wird nun in Form eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
  • Fig. 1 die Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • Fig. 2 die Rückansicht des Gitterjustageaufbaus der Ausführungsform in Fig. l ist;
  • Fig. 3 die Seitenansicht der Ausführungsform in Fig. 1,
  • Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der Erfindung; und
  • Fig. 5 eine weitere Modifikation der Erfindung darstellt.
  • Der Aufbau nach Fig. 1 umfaßt einen Laserchip 1, der hermetisch abgedichtet in einem Chipgehäuse 2 angeordnet ist. Eine Ausgangsfacette des Lasers ist mit einer Faser 3 innerhalb des hermetischen Gehäuses 2 gekoppelt, wobei die Faser aus dem Gehäuse durch eine bekannte hermetisch dichte Gehäusefaserdichtung herausgeführt wird.
  • Die zweite Ausgangsfacette des Lasers ist antireflexbeschichtet und auf ein Fenster 4 in der hermetisch dichten Gehäusewand gerichtet, nach der das Licht durch eine Linse 5 tritt und auf ein Gitter 6 fällt. Dieser Aufbau weicht von dem erwarteten Aufbau ab, bei dem der gesamte Aufbau mit dem externen Resonator innerhalb eines hermetisch dichten Gehäuses angeordnet ist, und hat den Vorteil das Ausgasen des Materials zu entschärfen. Jedoch ist es zur Bündelung des Strahls notwendig, eine Linse einzubauen, und die bisher für diese Zwecke verwendeten Linsen, Selfoc-oder sphärische Linsen, haben sehr kurze Brennweiten (gewöhnlich einige hundert Mikron) und müssen in der Nähe der Laserfacette angeordnet werden. Anstelle des gewöhnlichen Linsentyps wird eine Linse viel längerer Brennweite, in der Ordnung von 3 mm, verwendet, und es ist auf diese Art möglich, die Linse außerhalb des hermetischen Gehäuses anzubringen und die Ausrichtungsbeschränkungen zu vermeiden, die beim Versuch, einen Laser, Linse und Fenster innerhalb eines hermetischen Gehäuses auszurichten und zu fokussieren oder beim Ausrichten des Lasers mit einer in der Gehäusewand montierten Linse beachtet werden müßten. Der gewählte Aufbau läßt es zu, daß der Laser weiter von der hermetischen Gehäusewand entfernt angeordnet werden kann, wodurch sich der Zusammenbau vereinfacht, und die Linse, die hinter dem Fenster angeordnet ist, kann für Kompensation von Fensterfehlern sorgen und unabhängig von dem Lasergehäuse angeordnet und fokussiert werden.
  • Die Linse ist in einem Schraubgewindehalter 8 montiert, der in eine Endplatte 9 geschraubt ist. Die Endplatte und der Halter sind vorzugsweise aus Kovar hergestellt, um Bewegungen aufgrund thermischer Expansion zu minimieren. Um den Linsenfokus in bezug auf den Laser zu justieren, wird der Halter 8 in das Schraubengewinde gedreht. Wenn einmal die korrekte Fokussierung eingestellt ist, ist es für die optimale Langzeitstabilität notwendig, die Linse in der Position zu arretieren, und dieses geschieht durch Verschweißen des Schraubengewindehalters in der Endplatte 9. Während der Linsenjustage sollte kein Spiel zwischen den Gewinden des Halters 8 und der Endplatte 9 sein, und ein enganliegendes Gewinde wird durch Goldbeschichtung der Haltergewinde hergestellt. Andere Substanzen können verwendet werden zur Herstellung der engen Schraubenführung, aber Gold wird bevorzugt, da es Metall-Metallkontakt zwischen Halter und Endplatte gewährleistet, was vorteilhaft für das Schweißen ist. Wenn optimale Langzeitstabilität nicht erforderlich ist, braucht die Linse nicht an ihrem Ort festgeschweißt zu werden. Dann kann die Linsenposition auch ohne justiert werden, was den Aufbau des Elements vereinfacht.
  • Elektrische Feinsteuerung der Gitterposition wird mit den piezoelektrischen Elementen 10 vorgenommen, bei denen die Enden mit den mechanischen Justierschrauben 11 verbunden sind. Drei piezoelektrische Elemente sind wie bei den Justierschraubenanordnungen in der Rückansicht in Fig. 2 gezeigt vorgesehen, obwohl eine andere Anzahl von Elementen zu verwendet werden kann. Mit dem gezeigten Aufbau wird die Gitterdrehung durch Verlängerung oder Kontraktion der Elemente, die mit den Schrauben 11' ausgerichtet sind, bei gleichzeitigem Schwenken um das Element, das mit den Schrauben 11 ausgerichtet ist, erreicht. Justage der Resonatorlänge wird durch gleichzeitige Verlängerung oder Kontraktion von allen drei Elementen 10 erreicht. Die Schrauben 11 dienen zur gröberen Justage beim Erstaufbau. Die Justagebereiche liegen in der Ordnung von 30 für die Drehung und 700 um bis 1 mm Resonatorlänge bei den Schrauben, und 2 Milliradian und 15 um bei den piezoelektrischen Elementen. Der Bereich der elektrischen Justage mit einer Gesamtresonatorlänge von 2 cm gestattet die Abstimmung um mehr als 50 GHz.
  • Um geeignete Modendiskriminierung zu erreichen, muß die Resonatorlänge von der Größenordnung von 2 cm oder kleiner sein, wie bereits oben erwähnt. Um jedoch eine genügende Bewegungsfreiheit für den Abstimmbereich zu gewährleisten, müssen die piezoelektrischen Elemente ebenfalls von der Größenordnung von 2 cm oder mehr in der Länge sein, und so ist es unmöglich, das Gitter am Ende der Elemente zu montieren, ohne die Resonatorlänge zu vergrößern und Modendiskriminierung zu verlieren. Daher wurde der Aufbau, der in den Zeichnungen dargestellt ist, konstruiert, bei dem das Gitter auf einem Stab 12 getragen wird, der zwischen den piezoelektrischen Elementen in Richtung Laser nach innen gerichtet ist. Der Stab 12 ist mit einem Kragen 13 versehen, auf welchem ein Flansch 14 befestigt ist, der die Justierschrauben 11 trägt. Die Justierschrauben drücken gegen die Enden der piezoelektrischen Elemente, und das Gitter wird kraft der Bewegung des piezoelektrischen Elements und der Schraube 11 bewegt, wobei die Bewegung über den Flansch 14 auf den Stab 12 übertragen wird. Dieser Aufbau ermöglicht bei geeigneter Wahl der Materialien (z.B. eines Keramikstabes 12) auch die Kompensation der thermischen Expansion, weil die Expansion der Elemente durch Expansion in entgegengesetzter Richtung des Keramikelements kompensiert wird.
  • Ein weiteres Merkmal des Gehäuses ist, daß es im wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse ist, anders als wenn man dem normalen von der Basis ausgehenden Aufbau folgt, und dieses reduziert ebenso thermische Dejustierungsprobleme.
  • Die Eigenschaften des oben beschriebenen Lasers mit externem Resonator können weiter verbessert werden durch zusätzlichen Einbau eines Etalons. Das Etalon, positioniert im optischen Weg zwischen Linse und Gitter, sollte vorzugsweise einen freien Spektralbereich (Intervall zwischen benachbarten Transmissionspeaks) haben, der größer als die Bandbreite des Gitters ist. Abstimmen des Etalons wird entweder durch Rotation oder wenn möglich durch physikalische Bewegung der beiden Etalonreflektoren relativ zueinander bewirkt. Das Etalon kann aus festem transparenten Körper, z.b. Glas, mit einem Paar von hochreflektiven Facetten bestehen. Solch ein Etalon würde durch Rotation abgestimmt, im optimalen Fall in der Nähe des normal incidence-Bereiches des Laserstrahls. Ein alternatives Etalon wäre ein Fabry-Perot-Etalon, bei welchem ein Paar von hochreflektiven Spiegeln einander gegenüberstehen. Ein solches Etalon kann durch Bewegung eines Reflektors gegenüber dem anderen abgestimmt werden. Vorzugsweise wird eine solche Bewegung mittels Piezoelementen durchgeführt, so z.B. mittels ringförmigem Piezoelement. Solch ein Etalon wird ebenso vorzugsweise in der Nähe des normal incidence- Bereiches des Laserstrahls betrieben.
  • Wenn ein Etalon verwendet wird, kann ein Gitter mit einer größeren Gitterkonstante bei gleicher Linienbreite verwendet werden. Für eine gegebene Gitterdrehung ist der gesamte Abstimmbereich für ein Gitter mit größerer Gitterkonstante größer. Bei dem vorliegenden Beispiel, in dem ein 1200er Gitter ohne Etalon verwendet werden könnte, kann man ein 900er, 600er, etc. Gitter mit einem potentiell doppelt so großen Abstimmbereich wie beim feineren Gitter verwenden.
  • Der preis für die schmalere Linienbreite und/oder den größeren Abstimmbereich, der sich aus der Verwendung eines Etalons ergibt, ist die höhere Komplexität bei der Abstimmung. Allgemein müssen bei einem solchen Aufbau sowohl das Gitter als auch das Etalon bewegt werden. Wenn das Etalon piezo-abstimmbar ist, wie in dem Fall mit dem oben erwähnten Fabry- Perot-Element, ist es ohne weiteres möglich, das Etalon abzustimmen und gleichzeitig das Gitter zu bewegen, wodurch eine schmale Linienbreite sichergestellt ist (bestimmt durch das Etalon-Transmissionsfenster), während Modenspringen vermieden wird.
  • Das oben beschriebene Gehäuse kann modifiziert werden für die Verwendung als Laserverstärkergehäuse, wie in Fig. 4 dargestellt. Bei diesem Beispiel sind beide Facetten des Lasers antireflexbeschichtet, und das Gitter ist abgewinkelt in bezug auf den optischen Weg, so daß das reflektierte Licht nicht erneut in den Laser gelangt, sondern auf ein Prisma 14 gelenkt wird und dann auf eine PIN-Photodiode 15 trifft. Alternativ kann ein in-line-Filter oder Gitter an dieser in Fig. 5 dargestellten Stelle verwendet werden. Bei diesem letzteren Beispiel ist der Filter- oder Gitterträger modifiziert, um einen kontinuierlichen optischen Weg zu ermöglichen.
  • Das Gitter oder das Filter kann zwischen sphärischen Linsen eingesetzt werden, wie in unserer Anmeldung WO-A-8 802 957 erläutert, die den Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ wiedergibt; die Linse 5 oder die Linse 5 und das Fenster 4 können durch die erste sphärische Linse ersetzt werden. Wenn ein Reflexionsgitter verwendet wird, so ist das Gitter optisch zwischen den Linsen angeordnet, aber nicht physikalisch. Ein Laserverstärkergehäuse mit einem solchen Gitter oder Filter kann zur Abstimmung eines abstimmbaren Empfängers verwendet werden.

Claims (12)

1. Halbleiteraufbau, der umfaßt: ein lichtemittierendes Element (1) und ein optisches Filterelement (6), wobei das lichtemittierende Element innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses (2) mit einem transparenten Abschnitt (4) für den Durchgang von Licht zu dem besagten optischen Filterelement außerhalb des hermetisch abgedichteten Gehäuses versehen ist, wobei das besagte optische Filterelement auf einem Trägerteil (12) montiert ist, welches seinerseits montiert ist auf einem Gerät, das eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen (10) umfaßt, wobei das Trägerteil relativ zu den besagten piezoelektrischen Elementen mittels mechanischer Justagevorrichtungen (11, 14) justierbar ist, die Vorrichtungen zur Grobjustage des optischen Filterelementes relativ zum lichtemittierenden Element darstellen, und wobei das besagte Gerät so angeordnet ist, daß selektive Verlängerung und/oder Verkürzung der piezoelektrischen Elemente eine Dreh- und Translationsbewegung des optischen Filterelementes bewirkt, wodurch eine Vorrichtung für die Feinjustage des optischen Filterelementes geschaffen ist, wobei das Trägerteil sich im wesentlichen parallel zu den piezoelektrischen Elementen erstreckt und diese überlappt, und wobei der externe Aufbau des hermetisch abgedichteten Gehäuses im wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse ist.
2. Geräteaufbau nach Anspruch 1, bei dem das Trägerteil die thermische Expansion der piezoelektrischen Stapel kompensiert.
3. Geräteaufbau nach Anspruch 1 oder 2, der außerdem eine von dem abgedichteten Gehäuse extern montierte Linse aufweist.
4. Geräteaufbau nach Anspruch 3, bei dem die Linse eine Brennweite von wenigstens 2 mm hat.
5. Geräteaufbau nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem die Linse in einem Schraubengewindehalter montiert ist.
6. Geräteaufbau nach Anspruch 5, bei dem die Gewinde des Halters goldbeschichtet sind.
7. Geräteaufbau nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem der Linsenhalter nach der Fokussierung in seiner position festgeschweißt ist.
8. Geräteaufbau nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei welchem die Linse Aberrationen des transparenten Abschnittes des Gehäuses kompensiert.
9. Geräteaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das lichtemittierende Element ein Halbleiterlaser ist und das optische Filterelement ein Gitter ist, durch das ein externer Resonator des Lasers festgelegt ist.
10. Geräteaufbau nach Anspruch 9, der außerdem ein Etalon umfaßt, das in dem optischen Weg zwischen Linse und Gitter positioniert ist.
11. Geräteaufbau nach Anspruch 10, der außerdem ein Piezoelement für das Abstimmen des Etalons umfaßt, wobei das Etalon und das Gitter gleichzeitig bewegt werden können.
12. Geräteaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das lichtemittierende Element ein Halbleiterlaserverstärker und das optische Filterelement ein abstimmbarer Filter sind.
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