DE69109317T2

DE69109317T2 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Kopplers.

Info

Publication number: DE69109317T2
Application number: DE69109317T
Authority: DE
Inventors: Yuji Sakazaki; Akinobu Suzuki; Hideki Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-02-08
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2011-02-09
Also published as: EP0441403A1; EP0441403B1; US5127074A; DE69109317D1; JP2570879B2; JPH03233414A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kopplers zur Verwendung in einem optischen Übertragungssystem.
Auf dem Gebiet der Optoelektronik sind optische Kopp-1er Gegenstand vieler Studien, insbesondere Verfahren zur genauen Befestigung und Ausrichtung einer optischen Faser zu einem Halbleiterlaser oder anderen optischen aktiven Komponenten. Eine Kopplugn zwischen einer optischen Faser und einem Halbleiterlaser verlangt einen hohen Grad an Sorgfalt bei der Herstellung, insbesondere, wenn der optische Koppler für ein Hochfrequenz-Einmoden-Übertragungssystem geplant ist. Die direkte Befestigung einer optischen Faser an einem Halbleiterlaser kann unterbrochen werden, wenn die Betriebstemperatur des Halbleiterlasers schwankt und verschiedene Abmessungsänderungen jeweils in der optischen Faser und dem Halbleiterlaser bewirken. Die Abmessungsänderungen abhängig von der Temperaturschwankung bewirkt, daß die optische Faser von dem Halbleiterlaser getrennt wird. Zusätzlich ist eine direkte Kopplung im allgemeinen uneffizient, da eine große Ungleichheit in den Abmessungen der geleiteten Moden bzw. Kernmoden in dem Halbleiterlaser und optischen Faser vorhanden ist. Dies kann durch die Verwendung einer Linse für eine Modenabmessungsanpassung gelöst werden.
EP 0 345 874 offenbart eine optoelektronische Anordnung mit einer Kupplung zwischen einer optischen Übertragungsfaser und einer Halbleiterlaserdiode, die mit einem Halter für die Laserdiode und einem zweiten Halter für die optische Übertragungsfaser versehen ist, während ein Zwischenteil zwischen den zwei Haltern angeordnet ist. Ein eine Linse aufnehmendes Zwischenteil ist zwischen den zwei Haltern vorgesehen. Die Linse fokussiert die von der Diode ausgesandte Strahlung auf die optische Faser.
Ein ähnliches optisches Halbleitermodul ist in der EP 0 278 507 beschrieben. Das Modul ist in drei Teile zum Befestigen einer optischen Faser und einer Linse aufgeteilt. Die optische Halbleiteranordnung ist an einer Verbindungsfläche des Gehäuses befestigt.
US Patent Nr. 5 073 047 offenbart einen optischen Koppler oder Modul für ein Hochfrequenz-EinmodenÜbertragungssystem. Der optische Koppler umfaßt im allgemeinen ein Gehäuse, einen Laserhalter, mit dem der Halbleiterlaser gehalten wird, und einen Faserhalter einschließlich einer Hülse, mit dem die optische Faser gehalten wird. Das Gehäuse besteht aus zwei zusammengeschweißte Abschnitte. Ein erster Abschnitt des Gehäuses weist eine Stablinse zum Fokussieren der vom Halbleiterlaser ausgesandten Strahlung auf die optische Faser auf. Der andere Abschnitt des Gehäuses weist eine Bohrung zur Aufnahme der Hülse auf. Der Laserhalter und der Faserhalter sind jeweils an dem ersten und zweiten Abschnitt des Gehäuses befestigt. Es sei bemerkt, daß, wenn die Laseranordnung in dem Laserhalter aufgenommen wird, die optische Achse des Halbleiterelementes oder Chips nicht genau mit der Mittelachse des Laserhalters ausgerichtet sein kann. Dies liegt an der Tatsache, daß solch ein Halbleiterlaser gelegentlich nicht so genau positioniert ist wie es sein sollte meist wegen Herstellungstoleranzen. In dem Fall, daß die optische Achse des Halbleiterchips zu der Mittelachse des Halbleiterlasers versetzt ist, nachdem es mit dem Laserhalter zusammengesetzt wurde, dann steigert sich eine solche Versetzung unter dem Einfluß der Stablinse. Somit wird der zweite Abschnitt des Gehäuses in eine radiale Richtung relativ zu der optischen Achse des Lasers bewegt, bis eine maximale Ausgansstrahlung erzielt wird. Allerdings ist diese Justierung häufig zeitaufwendig.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kopplers vorzusehen, das die für die Ausrichtung einer aktiven optischen Komponente mit eine optischen Faser benötigte Zeit verringern kann.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kopplers vorgesehen. Der optische Koppler umfaßt im allgemeinen ein Gehäuse, einen an einem Ende des Gehäuses angekoppelten Laserhalter, der die Laseranordnung hält, und einen Faserhalter, der an dem anderen Ende des Gehäuses befestigt ist und eine optische Faser hält. Ein Stablinse ist in dem Gehäuse angeordnet, um die von einem Halbleiterelement ausgesandte Strahlung auf die optische Faser zu fokussieren. Die Laseranordnung wird relativ zu dem Laserhalter in radialer Richtung in bezug auf die optische Achse der optischen Faser bewegt, um die optische Achse des Halbleiterelementes mit der Mittelachse des Laserhalters auszurichten. Dies vereinfacht die folgende radiale Ausrichtung des Halbleiterelementes und der optischen Faser. Der Laserhalter ist dann in einer perfekten axialen Ausrichtung zu dem Halbleiterelement und der Stablinse in dem Gehäuse aufgenommen. Der Laserhalter wird mit dem Gehäuse durch Laserschweißung verbunden. Das Gehäuse weist einen ersten Abschnitt, in dem die Stablinse in Stellung gebracht wird, und einen zweiten Abschnitt, in dem die optische Faser aufgenommen ist, auf. Nachdem die axiale Ausrichtung beendet ist, wird der zweite Abschnitt des Gehäuses relativ zum ersten in radialer Richtung in bezug auf die optische Achse des Halbleiterelementes bewegt, um das Ausgangssignal zu maximieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden der erste und der zweite Abschnitt des Gehäuses durch Laserschweißung miteinander verbunden.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optischer Koppler ein Gehäuse und einen Laserhalter, der mit dem Gehäuse gekoppelt ist und eine Stablinse einschließt. Nachdem eine Laseranordnung in dem Laserhalter befestigt ist, wird die Stablinse in den Laserhalter eingeführt, bis ein vorbestimmter Abstand zwischen der Stablinse und einem Halbleiterelement erreicht wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl die Stablinse als auch das Halbleiterelement in dem Laserhalter zusammengesetzt und werden axial zueinander ausgerichtet, bevor der Laserhalter mit dem Gehäuse durch Laserschweißen verbunden wird. Somit wird die axiale Ausrichtung des Halbleiterelementes und der Stablinse in keiner Weise durch den folgenden Laserschweißprozeß verschlechtert werden.
Die vorliegende Erfindung wird besser durch Bezug auf die folgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen verstanden, wobei die beigefügten Zeichnungen mit in Betracht gezogen werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsquerschnitt eines optischen Kopplers, der nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wird,
Fig. 2 eine schematische Ansicht, die die Art und Weise zeigt, in der ein Halbleiterlaser mit einem Laserhalter ausgerichtet wird, und
Fig. 3 einen Längsquerschnitt eines optischen Kopplers, der nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
In Fig. 1 ist ein optischer Koppler dargestellt, der nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet wird. Der optische Koppler 10 umfaßt allgemein ein Gehäuse 12, einen Laserhalter 14, der mit einem Ende des Gehäuses 12 gekoppelt ist, und einen Faserhalter 16, der an dem anderen Ende des Gehäuses 12 befestigt ist.
Im besonderen weist das Gehäuse 12 einen ersten Abschnitt 12a und einen zweiten Abschnitt 12b auf, der bei 18 mit dem ersten Abschnitt 12a verschweißt ist. Der erste Abschnitt 12a des Gehäuses 12 weist ein axiales Loch 20 auf, in das eine Stablinse 22 in Stellung gebracht und eingeführt wird, und eine im wesentlichen zylindrische Vertiefung oder einen Hohlraum 24, der mit dem axialen Loch 20 verbunden ist. Ein Ende 14a des Laserhalters 14 ist in dem Hohlraum 24 aufgenommen und bei 26 mit dem ersten Abschnitt 12a des Gehäuses 12 durch Laserschweißen verbunden. Eine Laseranordnung wird allgemein durch das Bezugszeichen 30 bezeichnet und umfaßt eine Scheibe 32 und ein Halbleiterchip 34, das durch eine Kappe 36 eingeschlossen ist, die wiederum an der Scheibe 32 befestigt ist. Eine Mehrzahl von Leitungsanschlüssen 38 sind mit der Scheibe 32 verbunden und dienen zur Zufuhr eines elektrischen Stroms zu dem Halbleiterchip 34. Ein Bohrung 14b mit großem Durchmesser ist in einem Ende des Laserhalters 14 ausgebildet, um die Scheibe 32 der Laseranordnung 30 aufzunehmen. Auch ist eine Bohrung 14c mit kleinem Durchmesser in dem anderen Ende des Laserhalters 14 ausgebildet, um die Kappe 36 der Laseranordnung 30 aufzunehmen. Die zwei Bohrungen 14b und 14c sind miteinander durch eine Stufe 14d verbunden. Die Scheibe 32 der Laseranordnung 30 ist bei 39 mit der Stufe 14d des Laserhalters 14 durch Widerstandsschweißen verbunden.
Der zweite Abschnitt 12b des Gehäuses weist ein Ende 40 mit Gewinde auf, mit dem der Faserhalter 16 verschraubt ist. Der Faserhalter 16 ist allgemein zylindrisch und umfaßt eine axial sich erstreckende Hülse 42, durch die eine optische Faser 44 gehalten wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der optische Koppler oder das Modul 10 für ein Hochfrequenz-Einmoden-Übertragungssystem entworfen. Der zweite Abschnitt 12b des Gehäuses weist eine axial sich erstreckende Bohrung 45 großen Durchmessers zur Aufnahme der Hülse 42 und eine axial sich erstreckende Bohrung 46 mit kleinem Durchmesser auf, durch die die Bohrung 45 mit großem Durchmesser mit dem axialen Loch 20 des ersten Abschnittes 12a des Gehäuses verbunden ist.
Der Halbleiterlaser emittiert Licht abhängig von dem angelegten Strom. Die Stablinse 22 dient zur Fokussierung der von dem Laser 34 abgegebenen Strahlung auf die optische Faser 44 über die Bohrungen 20, 46 und 45. Die optische Faser 44 überträgt dann die vom Halbleiterlaser 34 ausgesandte Strahlung vom Koppler 10 nach außen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der optische Koppler 10 wie folgt hergestellt. Zuerst wird die Laseranordnung 30 an dem Laserhalter 14 befestigt. Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 2 umfaßt eine Widerstandsschweißmaschine eine obere Elektrode 50 und eine untere Elektrode 52. Die Laseranordnung 30 wird an der unteren Elektrode 52 befestigt, die wiederum an einem einstellbaren Tisch 54 angeordnet ist. Der einstellbare Tisch 54 ist relativ zur optischen Achse des Halbleiterlasers in radialer Richtung bewegbar. Der Laserhalter 14 ist an der oberen Elektrode 50 befestigt. Eine optische Überwachungsfaser 56 ist in der oberen Elektrode 50 positioniert und erstreckt sich längs der Mittelachse des Laserhalters 14 oder der optischen Achse der optischen Faser 44. Der Einstelltisch 54 wird dann bewegt, um die optische Achse der Halbleiterchips 34 mit der Mittelachse des Laserhalters 14 oder der optischen Achse der optischen Überwachungsfaser 56 auszurichten. In einem Ausrichtvorgang wird ein Videosystem verwendet. Wenn der Halbleiterlaser aktiviert wird, wird die von dem Halbleiterlaser ausgesandte Strahlung auf dem Bildschirm beobachtet. Alternativ kann ein Mikroskop verwendet werden, um direkt die optische Überwachungsfaser 56 zu beobachten. Die obere Elektrode 50 wird danach abgesenkt, um den Laserhalter 14 zu der Laseranordnung 30 zu bewegen. Ein ringförmiger Vorsprung 14e erstreckt sich von der Stufe 14d des Laserhalters 14. Wenn der ringförmige Vorsprung 14e gegen eine Seite der Scheibe 32 der Laseranordnung 30 gedrückt wird, wird Spannung zugeführt, um die Laseranordnung 30 an dem Laserhalter 14 durch Widerstandsschweißen zu befestigen. Die Stablinse 22 wird gelötet oder in anderer Weise in ihrer Stellung befestigt. Der Laserhalter 14 wird dann in den Hohlraum 24 des ersten Abschnittes 12a des Gehäuses eingeführt, bis der verlangte Abstand, typischerweise weniger als 5 um, zwischen dem Halbleiterlaser 34 und der Stablinse 22 erreicht wird. Das Laserschweißen wird verwendet, um bei 26 die Laserhalter 14 in Stellung zu befestigen. Schließlich wird der zweite Abstand 12b in radialer Richtung relativ zu der optischen Achse des Lasers bewegt, um das Ausgangssignal zu maximieren und wird dann bei 18 mit dem ersten Abschnitt 12a des Gehäuses 12 verschweißt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird ein optischer Koppler dargestellt, der nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wird und allgemein durch das Bezugszeichen 110 bezeichnet wird. Der optische Koppler 110 umfaßt ein Gehäuse 112, das aus einem ersten Abschnitt 112a und einem zweiten Abschnitt 112b zusammengesetzt ist, die bei 114 durch Laserschweißen miteinander verbunden sind. Der erste Abschnitt 112a des Gehäuses 112 weist eine axiale Bohrung 116 und einen Hohlraum 118 auf.
Ein Laserhalter 119 ist allgemein zylindrisch ausgebildet, wobei ein Ende 120 gleitend in dem Hohlraum 118 aufgenommen ist und mit dem Gehäuse 110 durch Laserschweißen verbunden ist. Der Laserhalter 119 ist mit einer axialen Bohrung 122 versehen, in die eine Stablinse 124 in ihrer Position gelötet ist. Eine Laseranordnung 130 umfaßt eine Scheibe 132, einen Halbleiterchip 134, der von einer Kappe 136 eingeschlossen ist, die ihrerseits mit der Scheibe 132 verbunden ist. Eine Mehrzahl von Leitungsanschlüssen 138 sind mit der Scheibe 132 verbunden, um dem Halbleiterchip 134 ein Strom zuzuführen. Eine Bohrung 140 mit großem Durchmesser und eine Bohrung 142 mit kleinem Durchmesser sind in dem Laserhalter 119 ausgebildet, um die Scheibe 132 und die Kappe 136 der Laseranordnung 130 aufzunehmen. Die zwei Bohrungen 140 und 142 sind miteinander durch eine Stufe 144 verbunden. Die Stufe 144 weist einen ringförmigen Vorsprung auf, mit der eine Seite der Scheibe 132 bei 146 verschweißt ist.
Der zweite Abschnitt 112b des Gehäuses 112 ist mit einem Ende versehen, das bei 114 mit dem ersten Abschnitt 112a verschweißt ist, und sein anderes, mit Gewinde versehenes Ende 150 ist mit einem Faserhalter 152 verschraubt. Der zweite Abschnitt 112b des Gehäuses weist auch eine axial sich erstreckende Bohrung 154 großen Durchmessers und eine axial sich erstrekkende Bohrung 156 kleinen Durchmessers auf, über die die Bohrung 154 großen Durchmessers mit dem axialen Loch 116 verbunden ist. Der Faserhalter 152 ist mit einer axial sich erstreckenden Hülse 158 versehen, durch die eine optische Faser 160 gehalten wird. Wenn der Faserhalter 152 in dem zweiten Abschnitt 112b des Gehäuses befestigt wird, wird die Hülse 158 in der Bohrung 154 großen Durchmessers aufgenommen.
Beim Zusammenbau wird die Laseranordnung 130 zuerst mit dem Laserhalter 119 in der gleichen Weise wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel zusammengesetzt. In diesem Fall erstreckt sich die optische Überwachungsfaser durch die axiale Bohrung 122 des Laserhalters 119. Die Stablinse 124 wird dann in die axiale Bohrung 122 des Laserhalters 119 eingeführt, bis ein vorbestimmter Abstand zwischen der Stablinse 124 und dem Halbleiterlaser erreicht wird. Die Stablinse 124 wird danach in ihrer Stellung eingelötet. Der Laserhalter 119 wird dann in den Hohlraum 118 des ersten Abschnitts 112a des Gehäuses 112 eingeführt. Nachdem die axiale Ausrichtung beendet ist, wird bei 162 Laserschweißen verwendet, um den Laserhalter 119 in seiner Stellung zu fixieren. Schließlich wird der zweite Abschnitt 112b des Gehäuses 112 in radialer Richtung relativ zu der optischen Achse des Halbleiterlasers bewegt, bis das Lichtausgangssignal optimiert ist und wird dann bei 114 mit dem ersten Abschnitt 112a des Gehäuses durch Laserschweißen verbunden.
Es ist selbstverständlich, daß, obwohl einige Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung in der vorhergehenden Beschreibung zusammen mit Details des Aufbaus und der Funktion der Erfindung dargelegt wurden, die Offenbarung lediglich beispielhaft ist. Somit können Änderungen im Detail, besonders bezüglich der Form, Abmessung und Anordnung der Teile innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung vorgenommen werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Kopplers (10), bei dem der Koppler (10) ein Gehäuse (12) mit einem ersten Abschnitt (12a) und einem mit dem ersten Abschnitt (12a) verbindbaren zweiten Abschnitt (12b), einen ersten Halter (14) zum Halten eines optischen Halbleiter-Sendeelementes (34), einen mit dem zweiten Abschnitt (12b) des Gehäuses (12) verbindbaren zweiten Halter (16) zum Halten einer optischen Faser (44) in seiner axialen Richtung, wobei der erste Abschnitt (12a) des Gehäuses (12) einen Hohlraum (24) aufweist, der gleitend den ersten Halter aufnimmt, und eine Stablinse (22) umfaßt, die in einer axialen Bohrung (20) des ersten Abschnitts (12a) angeordnet ist, und die optische Abstrahlung von dem optischen Halbleiter- Sendeelement (34) auf die optische Faser (44) fokussiert, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Befestigen des optischen Halbleiter-Sendeelements (34) an dem ersten Halter (14);

(b) Bewegen des ersten Halters (14) in dem Hohlraum (24) in dessen axialer Richtung, um einen vorbestimmten Abstand zwischen dem optischen Halbleiter-Sendeelement (34) und der Stablinse (22) zu erhalten;

(c) Befestigen des ersten Halters (14) an dem ersten Abschnitt (12a) des Gehäuses (12);

(d) Anordnen der optischen Faser (44) in dem zweiten Halter (16) und Verbinden des zweiten Halters (16) mit dem zweiten Abschnitt (12b) des Gehäuses (12);

(e) Bewegen des zweiten Abschnitts (12b) des Gehäuses (12) relativ zu dem ersten Abschnitt (12a) des Gehäuses (12) in seiner radialen Richtung bis der Lichtstrom ein Maximum erreicht, und

(f) Befestigen des ersten Abschnitts (12a) und des zweiten Abschnitts (12b) des Gehäuses (12) aneinander;

dadurch gekennzeichnet, daß

(g) vor dem Befestigen des optischen Halbleiter-Sendeelementes (34) an dem ersten Halter (14) das optische Halbleiter-Sendeelement (34) relativ zu dem ersten Halter (14) in seiner radialen Richtung bewegt wird, um die Lichtabstrahlrichtung des optischen Halbleiter-Sendeelementes (34) mit der Mittelachse des ersten Halters (14) auszurichten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das optische Halbleiter-Sendeelement (34) durch Widerstandsschweißen an dem ersten Halter befestigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Halter (14) an dem ersten Abschnitt (12a) des Gehäuses (12) durch Laserschweißen befestigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Abschnitt (12a) und der zweite Abschnitt (12b) des Gehäuses (12) durch Laserschweißen aneinander festgelegt werden.

5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Kopplers (110), bei dem der Koppler (110) ein Gehäuse (112) mit einem ersten Abschnitt (112a) und einem mit dem ersten Abschnitt (112a) verbindbaren zweiten Abschnitt (112b), einen ersten Halter (119) zum Halten eines optischen Halbleiter-Sendeelementes (134), einen zweiten mit dem zweiten Abschnitt (112b) des Gehäuses (112) verbindbaren zweiten Halter (115b) zum Halten einer optischen Faser (116), wobei der erste Abschnitt (112a) des Gehäuses (112) einen Hohlraum (118) umfaßt, der gleitend den ersten Halter (119) aufnimmt, und eine Stablinse (124) umfaßt, die in dem ersten Halter (119) angeordnet ist und die optische Abstrahlung von dem optischen Halbleiter-Sendeelement (134) auf die optische Faser (160) fokussiert, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Befestigen des optischen Halbleiter-Sendeelementes (134) an dem ersten Halter (119);

(b) Bewegen der Linse (124) axial relativ zu dem optischen Halbleiter-Sendeelement (134), bis ein vorbestimmter Abstand dazwischen erreicht ist;

(c) Einführen des ersten Halters (119) in den Hohlraum (118);

(d) Befestigen des ersten Halters (119) an dem ersten Abschnitt (112a) des Gehäuses (112);

(e) Anordnen der optischen Faser (160) in dem zweiten Halter (152) und Verbinden des zweiten Halters (152) mit dem zweiten Abschnitt (112b) des Gehäuses (112);

(f) Bewegen des zweiten Abschnitts (112b) des Gehäuses (112) relativ zu dem ersten Abschnitt (112a) des Gehäuses (112) in seiner radialen Richtung, bis der Lichtstrom ein Maximum erreicht; und

(g) Befestigen des ersten Abschnitts (112a) und des zweiten Abschnitts (112b) des Gehäuses (112) aneinander;

dadurch gekennzeichnet, daß

(h) vor dem Befestigen des optischen Halbleiter-Sendeelementes (134) an dem ersten Halter (119) das optische Halbleiter-Sendeelement (134) relativ zu dem ersten Halter (119) in seiner radialen Richtung bewegt wird, um die Lichtabstrahlrichtung des optischen Halbleiter-Sendeelementes (134) mit der Mittelachse des ersten Halters (119) auszurichten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das optische Halbleiter-Sendeelement (134) durch Widerstandsschweißen an dem ersten Halter (119) befestigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der erste Halter (119) an dem ersten Abschnitt (112a) des Gehäuses (112) durch Laserschweißen befestigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der erste Abschnitt (112a) und der zweite Abschnitt (112b) des Gehäuses (112) durch Laserschweißen aneinander festgelegt werden.