-
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung mit einem
Halbleiterlaser und mindestens einem optischen Isolator, die ein in einem Gehäuse
enthaltenes Halbleiterlaserelement, eine mit dem Halbleiterlaserelement gekoppelte optische
Faser umfaßt, weiche Faser weiterhin mit mindestens einem aus zwei Polarisatoren mit
dazwischenliegendem Faraday-Rotator bestehenden optischen Isolator gekoppelt ist, und
eine austretende optische Faser umfaßt (Anschlußfaser; eng.: pigtail).
-
Es herrscht offensichtlich heutzutage ein Bedarf an rauscharmen
Monomode-Lasern zur Anwendung in z.B. optischer Telekommunikation und Videoverteilung
bei sehr hohen Frequenzen. Die für diese Anwendungen im allgemeinen verwendeten
DFB-Laser (DFB = Distributed FeedBack, selektive Rückkopplung) sind jedoch sehr
empfindlich gegenüber optischer Rückkopplung. Insbesondere Reflexionen, die bei einer
weniger guten Kopplung zwischen zwei optischen Fasern auftreten können, haben eine
ungünstige Auswirkung auf den korrekten Betrieb dieser Laser. Es ist vorgeschlagen
worden, einen optischen Isolator in die Anordnung aufzunehmen, um die optische
Rückkopplung zum Laserelement zu begrenzen. Die Aufgabe ist dann, den optischen Isolator
im Gehäuse des Lasers unterzubringen und so einen modularen Aufbau zu erhalten. Ein
Beispiel für ein solches Modul wird in JP 63-252497(A) gegeben.
-
Ein modularer Aufbau wie in JP 63-252497 hat jedoch auch Nachteile.
Der zum Einbau weiterer Elemente, wie dem optischen Isolator, in einem
Standardgehäuse des Halbleiterlasers verfügbare Raum ist klein, so daß die Herstellung eines
solchen Moduls kompliziert wird. Weiterhin ist es nicht mehr möglich, die optische Faser
direkt mit dem Laserelement zu koppeln, obwohl direkte Kopplung einen günstigen
optischen Wirkungsgrad ergibt. Falls eine der Komponenten der Anordnung nach der
Montage einen Defekt aufweist, muß die gesamte Anordnung, in die der kostspielige
Isolator bereits eingebaut ist, ausgetauscht werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische
Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu verschaffen, in der keine Beschränkungen
hinsichtlich der Technik der optischen Kopplung zwischen dem Halbleiterlaser und der
optischen Faser gelten, deren Herstellung nicht unnötig kompliziert ist, wobei Testen
der Komponenten vor der Montage der Anordnung möglich ist, und bei der die
Verwendung verschiedener optischer Isolatoren sowie der Einsatz mehrerer optischer
Isolatoren in sehr einfacher Weise möglich ist, während dennoch ein modularer Aufbau
möglich ist.
-
Zum Lösen dieser Aufgabe ist eine erfindungsgemäße optoelektronische
Anordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung
zwei gesonderte Module umfaßt, die den Halbleiterlaser bzw. den optischen Isolator
enthalten, daß das Lasermodul hauptsächlich für das Halbleiterlaserelement und die
damit gekoppelte optische Faser, die in einer Klemmhülse endet, welche in einem
nahezu röhrenförmigen Ansatz des Lasermoduls enthalten ist, Platz bietet, daß das Modul
für den optischen Isolator nahezu röhrenförmig ist, wobei dieses Modul, in dieser
Reihenfolge, eine erste Gradientenlinse, den mindestens einen optischen Isolator, eine
zweite Gradientenlinse, und die mittels einer Klemmhülse mit dieser zweiten
Gradientenlinse gekoppelte austretende optische Faser enthält, und daß der röhrenförmige-
Ansatz des Lasermoduls und der Endabschnitt des röhrenförmigen optischen Moduls,
der der genannten ersten Gradientenlinse benachbart ist, so zueinander geformt sind,
daß eine mechanische Kopplung der beiden Module in solcher Weise erreicht werden
kann, daß gleichzeitig eine optische Kopplung zwischen den beiden Modulen erfolgt.
-
Die erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung besteht aus zwei
Modulen, die schließlich vereinigt werden können. Somit wird eine größere Freiheit
beim konstruktiven Aufbau erhalten, als wenn ein einziges Modul verwendet wird. Es
ist beispielsweise möglich, jede gewünschte Kopplung zwischen dem Halbleiterlaser und
der optische Fasern in dem Lasermodul zu realisieren, auch eine direkte Kopplung.
Außerdem können die beiden Module getrennt getestet werden, bevor sie miteinander
verbunden werden, so daß teurer Ausschuß vermieden wird. Die Herstellung der
gesonderten Module ist auch leichter zu bewerkstelligen als die Herstellung eines einzigen
komplizierten Moduls. Der Aufbau mit zwei Modulen macht es auch möglich, optische
Isolatoren von unterschiedlichem Aufbau in einfacher Weise mit dem Standard-Laser-
modul zu verbinden. Das gesonderte Isolatormodul macht es beispielsweise auch
einfach, mehr als einen Isolator einzubauen, wenn der Isolationswert besonders groß sein
muß. Die Verwendung der beiden gesonderten Module, die jeweils mit einem Anschluß
teil versehen sind, das einen einfachen Zusammenbau ermöglicht, bietet daher einen viel
größeren Handlungsspielraum als die Verwendung eines einzelnen mit einem optische
Isolator versehenen Lasermoduls.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
optoelektronischen Anordnung besteht der Halbleiterlaser aus einem DFB-Halbleiterlaser (DFB
= Distributed Feedback, selektive Rückkopplung), und die optische Kopplung zwischen
dem Laserelement und der in dem Lasermodul enthaltenen optischen Faser hat die Form
einer optischen Faser mit variablen Querschnitt. Auf diese Weise wird eine sehr
wirksame Kopplung mit einem DFB-Laser erhalten.
-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Klemmhülse, in der sich das Ende der optischen Faser des Lasermoduls
befindet, und das im montierten Zustand der beiden Module auf die genannte Klemmhülse
gerichtete Ende der ersten Gradientenlinse von ebenem Aufbau sind, wobei ihre Ebenen
einen kleinen Winkel mit einer senkrecht zur optischen Achse des Ganzen stehenden
Ebene bilden, wobei der Aufbau so ist, daß zwischen den genannten Ebenen im
montierten Zustand ein kleiner Zwischenraum vorhanden ist.
-
Der Übergang zwischen diesen Ebenen kann zu beträchtlichen Reflexionen
führen. Wegen der schrägen Anordnung der beiden Ebenen wird eine Rückkopplung
zum Laserelement vermieden. Das Vorhandensein eines kleinen Zwischenraums
zwischen diesen Ebenen sorgt dafür, daß das aus dem Laserelement stammende, nahezu
parallele Licht die Gradientenlinse unter einem kleinen Winkel verläßt. Daher werden
Reflexionen von allen von dem Strahlenbündel getroffenen, nahezu senkrecht zur
optischen Achse liegenden Flächen neben dem Faserkern abgebildet, so daß Rückkopplung
zum Laser nicht auftritt.
-
Der Zwischenraum zwischen den Ebenen der Klemmhülse und der ersten
Gradientenlinse hat einen ausgezeichneten Effekt, wenn seine Abmessung zwischen 50
und 500 um liegt und vorzugsweise ungefähr 200 um beträgt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 einen Querschnitt einer Ausführungsform des Lasermoduls,
-
Fig. 2 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Isolatormoduls,
-
Fig. 3 einen Querschnitt eines Lasergefüges mit einem optischen Isolator,
wobei das Isolatormodul gegenüber dem Isolatormodul von Fig. 2 abgewandelt ist,
-
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Optik der Isolatorkopplung, und
-
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines abgewandelten Aufbaus der
Isolatorkopplung von Fig. 4.
-
Die erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung hat einen modularen
Aufbau. Es ist jedoch kein einzelnes Modul gewählt worden, sondern stattdessen ist die
Anordnung als Gefüge aus einem Lasermodul und einem Isolatormodul gebildet.
Vorteile hiervon sind oben angegeben; weitere günstige Aspekte sollen bei der folgenden
Beschreibung näher erläutert werden.
-
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Lasermoduls 1, das in der
erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung verwendet werden kann. Die gezeigte
Ausführungsform umfaßt ein DIL-14-Standardgehäuse. Ein Laserelement 3 in der
Umhüllung 2 ist mit einem Kühlkörper 4 versehen, der sich auf einem Träger 5 befindet.
Dieser Träger ist auf einer Peltier-Kühlanordnung aufgebracht, die allgemein mit dem
Bezugszeichen 6 bezeichnet wird. Auf dem Träger 5 befindet sich auch ein Halter 7, an
dem eine Photodiode 8 befestigt ist. Die Photodiode 8 mißt die von der Laserdiode
emittierte Lichtmenge; das in der Photodiode erzeugte Signal wird zur Steuerung der
Emissionstarke der Halbleiterlaserdiode 3 verwendet.
-
Eine optische Faser 9 ist mit der Halbleiterlaserdiode 3 gekoppelt. In der
dargestellten Ausführungsform wird eine direkte Kopplung des Laserlichtes in der Faser
9 verwendet, wobei eine Glasfaser mit variablem Querschnitt ("tapered pigtail")
verwendet wird. Diese Kopplungstechnik, die an sich bekannt ist, hat einen sehr günstigen
Wirkungsgrad. Die Faser ist nahe ihrem sich verjüngenden Ende 10 in einem Träger 11
aufgenommen. Die Umhüllung 2 hat einen röhrenförmigen Ansatz 12, der ein
Rohrstück 13 umgibt, das die aus dem Gehäuse kommende optische Faser 9 leitet. Die
optische Faser wird von dem Gehäuse in ein Trägerelement 14 geführt; das Ende der Faser
ist in einem Abschnitt 15 der Klemmhülse 13, 15 aufgenommen. Eine Abdeckung 16
dichtet das Gehäuse hermetisch ab.
-
Die in Fig. 1 als Beispiel wiedergegebene Einheit stellt ein Lasermodul
dar, das für die Verwendung, zusammen mit einem Modul für einen optischen Isolator,
in einer optoelektronischen Anordnung entwickelt worden ist, vorzugsweise in einer bei
sehr hohen Frequenzen arbeitenden Anordnung, zur Telekommunikation oder
Videoverteilung. Hierfür wird vorzugsweise ein DFB-Halbleiterlaser verwendet, während
Kopplung mit der optischen Faser mit Hilfe der "tapered pigtail"-Kopplungstechnik erfolgt.
Dieses Modul kann getrennt justiert und getestet werden, bevor es mit einem Modul
eines optischen Isolators verbunden wird. So wird erreicht, daß einerseits geprüft
werden kann, ob die Funktionsweise des Lasermoduls optimal ist, bevor die kostspielige
Gesamteinheit zusammengebaut wird, und andererseits, daß eine Möglichkeit geschaffen
wird, um das Lasermodul mit optischen Isolatoren unterschiedlichen Aufbaus zu
verbinden.
-
Insbesondere die DFB-Halbleiterlaser für sehr hohe Frequenzen sind
empfindlich gegenüber optischer Rückkopplung, die zu verhältnismäßig hohen
Rauschpegeln führen kann. Dementsprechend herrscht eine deutliche Nachfrage nach einer mit
einem Laser und mit einem oder mehreren optischen Isolatoren versehenen
optoelektronischen Anordnung.
-
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines optischen Isolators, der mit dem
Lasermodul von Fig. 1 zusammenwirken kann. Ein optischer Isolator 17 ist in einem
röhrenförmigen Halter 16 aufgenommen. ein solcher Isolator sorgt für das Weiterleiten
von Licht in nur einer Richtung, oder dafür, daß die Polarisation des Lichtes so
verändert wird, daß das reflektierte Licht den Laser nicht mehr beeinflußt. Der Isolator 17
besteht in einer an sich bekannten Weise aus zwei Polarisatoren mit einem dazwischen
liegenden Faraday-Rotator. Für den Faraday-Rotator werden häufig
Yttrium-Eisengranat(YIG)-Kristalle verwendet, während die Polarisatoren meistens aus Kalkspat- oder
Plattenpolarisatoren bestehen.
-
Die optische Kopplung mit der Glasfaser des Lasermoduls erfolgt mit
Hilfe einer Gradientenlinse 18, die ihrerseits mit dem Isolator 17 optisch gekoppelt ist.
Der Isolator 17 ist an seiner Austrittsseite mit einer weiteren Gradientenlinse 19
gekoppelt. Kopplung mit der austretenden optischen Faser 20 (Anschlußfaser) erfolgt durch
eine Klemmhülse 21, in der ein Ende der genannten Faser aufgenommen ist.
-
Das Modul 22 des in Fig. 2 wiedergegebenen optischen Isolators kann mit
Hilfe des röhrenförmigen Halters 16 mit dem Lasermodul 1 verbunden werden, um so
eine Einheit zu bilden. Das Lasermodul und das kostspielige optische Modul können
jedoch hinsichtlich ihrer Eigenschaften getestet werden, so daß nur geeignete Module
miteinander in einem Aufbau verbunden werden. Natürlich stellen sowohl die
Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Lasermoduls 1 und des Isolatormoduls 22 von Fig. 2
nur ein Beispiel für eine zusammenzusetzende optoelektronische Anordnung dar. Es ist
daher beispielsweise möglich, in dem Modul 22 für den optischen Isolator einen (oder
mehrere) weitere(n) Isolator(en) mit dem Isolator 17 in Reihe zu schalten, um eine
größere optische Isolierung zu erhalten.
-
Fig. 4 zeigt schematisch das optische System des optischen Moduls von
Fig. 2, das aus der Klemmhülse 15 des Lasermoduls 1, der Gradientenlinse 18, dem
optischen Isolator 17, der Gradientenlinse 19, und der Klemmhülse 21 für die Anschluß
faser 20 besteht. Solch ein optisches System muß einen Isolationswert von mehr als 30
dB haben. In der Praxis erweist sich, daß in diesem Aufbau noch immer Reflexionen
möglich sind, die den Rauschabstand negativ beeinflussen.
-
Das optische System von Fig. 5 vermeidet in hohem Maße die
Rückkopplung unerwünschter Reflexionen in den Halbleiterlaser 3. In diesem optischen System
bilden die einander zugewandten Flächen 23 und 24 der Klemmhülse 15 und der
Gradientenlinse 18 einen kleinen Winkel mit einer senkrecht zur Achse des optischen
Systems liegenden Ebene, wobei zwischen diesen Ebenen ein freier Zwischenraum von
ungefähr 20 bis 500 um, vorzugsweise ungefähr 200 um, erzeugt wird. Weiterhin liegt
die der Gradientenlinse 19 zugewandte Oberfläche der Klemmhülse 21 unter einem
kleinen Winkel zu einer senkrecht zur Achse des optischen Systems liegenden Ebene,
wobei diese Ebene in kleinem Abstand von der Ebene 26 der Gradientenlinse 19 liegt.
Der Winkel zwischen der Ebene 23 der Klemmhülse 15 und der Ebene 24 der
Gradientenlinse verhindert Reflexionen aus der letztgenannten Ebene. Der Zwischenraum
zwischen diesen Ebenen führt zu einer Abweichung in x-Richtung (virtuelles Bild), so daß
das Strahlenbündel die Gradientenlinse unter einem kleinen Winkel verläßt. Reflexionen
aus allen nahezu senkrecht zur Achse des optischen Systems liegenden Oberflächen
werden dann neben dem Faserkern abgebildet und beeinflussen daher die Laserwirkung
nicht. Die schiefe Oberfläche 25 der Klemmhülse 21 und das darin aufgenommene Ende
der Faser 20 sorgen zusammen mit dem Zwischenraum zwischen den Ebenen 25 und 26
dafür, daß das Strahlenbündel genau zentriert und nahezu axial in das Ende der Faser
20 eintritt.
-
Fig. 3 zeigt ein Gefüge aus einem Lasermodul, wie in Fig. 1 gezeigt, und
einem Modul für einen optischen Isoiator mit einem optischen System, wie schematisch
in Fig. 5 wiedergegeben. Das Lasermodul 1 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Modul.
Das optische Modul weist außer dem in Fig. 5 schematisch wiedergegebenen optischen
System einen Ausgang für die Anschlußfaser 20 auf, die in der x-y- und z-Richtung
relativ zur Gradientenlinse 19 justierbar ist. Hierzu ist die Anschlußfaser 20 mit
Klemmhülse 21 in einem Justierelement 23 enthalten. Die Klemmhülse 21 kann darin
relativ zur Gradientenlinse 19 axial justiert werden, während das Justierelement 23
selbst in einer zur optischen Achse senkrechten Richtung justierbar ist. Somit kann eine
hervorragende Kopplung zwischen der Linse 19 und der Klemmhülse 21 der
Anschlußfaser 20 erhalten werden.
-
Es wird deutlich sein, daß die dargestellten Ausführungsformen nur als
Beispiele zur Erläuterung der Erfindung dienen und daß im Rahmen der Erfindung
Konstruktionsänderungen möglich sind.