NL8600844A

NL8600844A - Optisch vezel-strookgeleidersamenstel met lichtkoppeling tussen een vezel en een op een substraat aangebrachte planaire strookgeleider.

Info

Publication number: NL8600844A
Application number: NL8600844A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1986-04-02
Publication date: 1987-11-02

Description

*7, N.O. 33678

Optisch vezel-strookgeleidersamenstel met lichtkoppeling tussen een vezel en een op een substraat aangebrachte planaire strookgeleider.

5 De uitvinding heeft betrekking op een optisch vezel- strookgeleidersamenstel met lichtkoppeling in de ene of andere richting tussen een vezel en een op een substraat aangebrachte planaire strookgeleider, waarbij de vezel en de strookgeleider met hun langsassen bij benadering in eikaars verlengde zijn uitgelijnd.

10 Een dergelijk optisch-vezelstrookgeleidersamenstel is bekend uit de praktijk. Zo zal men hierbij de vezel in een in een substraat aangebrachte groef inbedden en vervolgens de vezel met zijn uiteinde tegen de kopse rand van de in het substraat aangebrachte strookge-leider(s) laten aanliggen. De laterale uitlijning kan hierbij betrekke— 15 lijk nauwkeurig zijn daar de V-vormige groef met het fotomasker van de strookgeleider(s) kan zijn uitgelijnd. De transversale of vertikale uitlijning is echter nog steeds een probleem.

Daarbij komt dat de numerieke apertuur van een derge— lijke vezel in het algemeen te gering is voor een goede aanpassing aan 20 de strookgeleider met een hoog brekingsindex contrast, en dat de inten-siteitsverdelingen van de straling in de glasvezel en in de strookgeleider vaak ongelijk van vorm zijn. Hierdoor is de beoogde verliesarme koppeling in het algemeen betrekkelijk slecht.

. De uitvinding beoogt een verliesarme koppeling in bei— 25 de richtingen tussen een vezel en een strookgeleider van bijvoorbeeld een geïntegreerde optische schakeling te realiseren met een correcte onderlinge aanpassing van de vorm van de modi in de vezel en de strookgeleider, waarbij strookgeleiders van verschillende breedte in aanmerking kunnen worden genomen.

30 Dit wordt bij een optisch vezel-strookgeleidersamen stel van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt, dat de vezel met een getaperd einde met afgeronde top is uitge-voerd, en dat een cilindrische microlens, met zijn langsas in het laterale vlak van de strookgeleider dwars op de genoemde langsas van strook-35 geleider en vezel, tussen de top van de vezel en de kopse rand van de strookgeleider is aangebracht, waarbij de afmetingen van de top van de vezel en van de cilindrische microlens zodanig zijn dat het focuspunt in transversale richting bij benadering op de kopse rand van de strookgeleider valt en een correcte onderlinge aanpassing van de vorm van de : -:j 4 4 0' 2 modi in vezel en strookgeleider wordt verkregen.

Door bij deze uitvoering volgens de uitvinding een getaperde vezel toe te passen kan de numerieke apertuur van de vezel ongeveer verdubbeld worden. Dit is echter in de transversale richting nog 5 onvoldoende en daarom wordt een cilindrische microlens toegepast met zodanige afmeting in combinatie met de afmeting van de afgeronde top van de vezel dat het focuspunt in transversale richting bij benadering op de kopse rand van de strookgeleider valt. Hierbij wordt de numerieke apertuur van de taper door middel van de cilindrische microlens nog beter 10 aangepast aan de vorm; van de mode in de planaire strookgeleider. Bij een juiste aanpasssing van de modevorm wordt een goede transmissie in beide richtingen verkregen.

' Bij deze uitvoering volgens de uitvinding kan met dit externe optische stelsel, dat wil zeggen de microlens, zonder tussenaf-15 beelding gewerkt worden hetgeen uit oogpunt van stabiliteit en compactheid voordelen biedt. De lengte van dit externe optische stelsel wordt beperkt tot ca. 30 pm. Door het , focuspunt in transversale richting te laten samenvallen met de kopse rand van de planaire strookgeleider V en, afhankelijk van de dimensionering, met de achterzijde van de cilin- 2Q drische microlens is het mogelijk deze lens bijvoorbeeld direkt aan de strookgeleider en zijn direkte omgeving te verlijmen.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoor— beeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin dezelfde onderdelen in de verschillende figuren met dezelfde verwij— 25 zingscijfers zijn aangeduid, en waarin:

Fig. 1 een perspektivisch aanzicht geeft van het optisch· vezel-strookgeleidersamenstel volgens de uitvinding;

Fig. 2 een doorsnede-aanzicht volgens het transversale vlak van het vezel-strookgeleidersamenstel van fig. 1 toont; en 30 Fig. 3 een doorsnede-aanzicht volgens het laterale vlak van het vezel-strookgeleidersamenstel van fig. 1 toont.

In het bijzonder bij monomode voortplanting is de ver-liesarme lichtoverdracht tussen vezel- en strookgeleider een probleem. Dit komt enerzijds door de beperkte grootte van de numerieke apertuur 35 aan de uittreezijde van de vezel ten opzichte van de numerieke apertuur in laterale en transversale richting van de optische mode in de strookgeleider. Anderzijds zijn de doorsnede afmetingen van een glasvezel ro-tatie-symmetrisch, in tegenstelling tot de meestal rechthoekige vorm van een strookgeleider. De numerieke apertuur (Ν.Δ.) van een monomode vezel rt -1¾ Λ t i U ·} u :j -4 -ƒ y· λ 3 bedraagt kenmerkend ca. 0,12 terwijl die van de strookgeleider in het transversale vlak ca. 0,5 en in het laterale vlak ca· 0,2 kan bedragen.

Door een uitvoering met getaperde einde van de vezel wordt voor een deel aan een vergroting van de numerieke apertuur van de vezel tegemoet geko-5 men. Hierbij kan bij een golflengte van 633 nm een waarde voor N.A. van ca. 0,25 bereikt worden vrijwel onafhankelijk van de taperhoek. De straal van de afgeronde top van de vezel bedraagt dan ongeveer 12 pm en de focuslengte is ongeveer 25 pm. Toch zal bij een direkte inkoppeling vanaf de afgeronde top van de vezel naar de strookgeleider bij de hier 10 maximaal bereikbare N.A. een ontoereikend verliesarme inkoppeling verkregen worden. Dit komt mede doordat de bundelinsnoering voor de afgeronde top zo klein is dat een slechte aanpassing aan de laterale afmeting van de mode uit de strookgeleider tot stand komt, terwijl in de transversale richting nog steeds een te breed focus wordt aangeboden ter 15 exitatie van de mode in de planaire golfgeleider.Alleen bij zeer smalle geleiders, breedte bijvoorbeeld ca. 1 pm, die een vrijwel rotatiesymme-trisch modepatroon hebben, kan een goede koppeling verwacht worden.

Door nu een cilindrische microlens te gebruiken kan de bundelinsnoering van de getaperde vezel aangepast worden aan de vorm van 20 de heersende mode in de strookgeleider. Bij monomode voortplanting betekent dit een bundelstraal van ca. 0,3 pm in transversale richting en van ca. 0,5 tot 1,2 pm in laterale richting een en ander in afhankelijkheid van het type strook- of golfgeleider.

Bij de keuze van een microlens tussen de tapertop en 25 de strookgeleider kan onderscheid gemaakt worden in een optisch stelsel met een tussenafbeelding en een optisch stelsel zonder tussenafbeelding.

Voor inkoppeling vanuit een als halfgeleiderlaser uitgevoerde strookgeleider is een optisch stelsel met tussenafbeelding voordelig door de relatief grote afstand tussen lens en laser waardoor terugkoppeling van 30 licht in de laser wordt beperkt. Om redenen van eenvoud en compactheid is gekozen voor een optisch stelsel zonder tussenafbeelding, waarbij de microlens tussen de tapertop en het brandpunt staat· Dit brandpunt ligt op de kopse rand van de strookgeleider en valt, afhankelijk van de di-mensionering, samen met de achterzijde -van de microlens waardoor deze 35 lens aan het eindvlak terplaatse van het substraat en de kopse rand van de strookgeleider gelijmd kan worden.

Door volgens de uitvinding voor de extra microlens een cilindrische microlens te nemen wordt ten opzichte van een rotatiesymme-trische microlens, een glazen bol, een betere aanpassing aan de mode in ·_ 4 V _ ,7· Μ» de strookgeleider verkregen. Daarbij komt het voordeel van een betere hanteerbaarheid. Een cilindrische lens gedraagt zich in één richting als een rotatiesymmetrische lens en heeft in de andere, orthogonale, richting geen sterkte. Met deze cilindrische microlens kan een goede 5 aanpassing van de bundelinsnoering aan de bundelafmeting in de strookgeleider gerealiseerd worden.

Doordat in dit optische stelsel het focuspunt in laterale richting wat verder weg ligt dan in transversale richting moet de dimensionering van de strookgeleider zo gekozen worden dat lateraal pas 10 opsluiting van het licht plaatsvindt vanaf het laterale focuspunt. Dit kan gebeuren door in het laterale vlak de strookgeleider van een brede taper of koppelflap te voorzien.

In het perspektivische aanzicht van fig. 1 is met 1 de getaperde vezel», met 2 de cilindrische microlens, met 3 de op het sub-15 straat 4 aangebrachte strookgeleider en met 7 de in— of uitkoppelflap van de strookgeleider aangegeven. Duidelijk Is te zien dat bij benadering de cilindrische microlens met zijn lengte-as in het laterale vlak van de strookgeleider en vezel moet liggen.

In het in fig. 2 aangegeven doorsnede-aanzicht volgens 20 het transversale vlak is duidelijk te zien hoe door middel van de lijm. 5 de^ cilindrische microlens aan de kopse rand van de strookgeleider en het daarbij behorende eindvlak van het substraat is gelijmd. Tevens is duidelijk waarneembaar dat het focuspunt in transversale richting bij benadering op de kopse rand en de achterkant van de cilindrische microlens 25 valt.

In het in fig. 3 aangegeven doorsnede-aanzicht volgens het laterale vlak is weer met 5 de lijm aangegeven waarmede de microlens bevestigd is aan het substraat en de strookgeleider. Duidelijk is de koppelflap 7 aangegeven die nodig is om de inkoppeling van het licht in 30 laterale richting mogelijk te maken zodat het focuspunt in laterale richting op een, ten opzichte van het focuspunt in transversale richting, verder gelegen punt in strookgeleider valt. Deze koppelflap kan ook als een breder wordende taper uitgevoerd zijn.

Met voordeel kan de strookgeleider 3 als een halfge— 35 leiderlaser zijn uitgevoerd, zodat het hierdoor afgegeven licht dan via het genoemde samenstel overgedragen wordt aan de getaperde vezel.

Bij bovengenoemde uitvoering volgens de uitvinding kan een focuslijn in het transversale vlak met een breedte van 0,8 pm en in ---. -3. J 1

V’ j ?Q

5 Λ het laterale vlak een focuslljn met een breedte van 1,5 ym verkregen worden met een onderlinge afstand van ca. 20 ym.

De cilindrische microlens heeft hierbij een doorsnede van 20 ym.

5 De bevestiging van de cilindrische microlens aan de andere zijde kan worden verkregen door deze te lijmen of te solderen aan de kopse zijde van een kwartsglazen capillair met een inwendige diameter van ca. 130 ym. Het capillair heeft een lengte van ca. 1 cm en heeft aan de andere zijde een kleine trechter. Door deze trechter wordt de geta— 10 perde glasvezel ingeschoven. Op een scherm is de geometrische schaduw van de cilindrische lens waarneembaar wanneer er licht door de glasvezel loopt en de afstand van de top van de lens nog te groot is. Door rotatie van de glasvezel in de capillair kan de top lateraal uitgericht worden ten opzichte van de lens als gevolg van het feit dat het getaperde uit-15 einde van de vezel altijd wel iets scheef loopt. Tenslotte wordt de afstand verkleind tot op het scherm een sterk ovaal buigingsbegrensde vlek waarneembaar is. Daarna wordt de vezel door middel van lijm of soldeer vastgezet in de capillair.

Het deze uitvoering volgens de uitvinding wordt 20 typisch een bundeldiameter van 0,8 ym in transversale richting en van 1,5 ym in laterale richting verkregen.

De ondersteuning van de glasvezel in het capillair en de planaire strookgeleider vindt plaats door bevestiging op een hulpconstructie, die door de keuze van materiaal ongevoelig is voor variaties 25 van de temperatuur ter plaatse van de koppeling. Hierbij moet rekening gehouden worden met de uitzettingscoëfficiënten van het substraat, de glasvezel en het capillair. Het substraat dient reeds op deze hulpconstructie bevestigd te zijn bij het uitrichten van het samenstel, zodat een directe bevestiging van de glasvezel in de juiste stand mogelijk is. 30 Het geheel dient te worden ingepakt in een hermetisch gesloten behuizing.

_ » v* » ; *

Claims

1. Optisch vezel-strookgeleidersamenstel met lichtkop-peling In de ene of andere richting tussen een vezel en een op een substraat aangebrachte planaire strookgeleider, waarbij de vezel en de strookgeleider met hun langsassen in eikaars verlengde zijn uitgelijnd, met het kenmerk, dat de vezel met een getaperd einde met afgeronde top is uitgevoerd, en dat een cilindrische microlens, met zijn langsas in het laterale vlak van de strookgeleider dwars op de genoemde langsas van strookgeleider en vezel, tussen de top van de vezel en de kopse rand van de strookgeleider is aangebracht, waarbij de afmetingen van de top. van de vezel en van de cilindrische microlens zodanig zijn dat het focuspunt in transversale richting bij benadering op de kopse rand van de strookgeleider valt en een correcte onderlinge aanpassing van de vorm van de modi in vezel en strookgeleider wordt verkregen.

2. Optisch vezel-strookgeleidersamenstel volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de kromming van de afgeronde top van de vezel zodanig is dat het focuspunt in laterale richting, achter het focuspunt in transversale richting, in de strookgeleider valt.

3. Optisch vezel-strookgeleidersamenstel volgens conclusie 1 of 2, m e t het k e n m e r k, dat de strookgeleider ten behoeve van de lichtkoppeling is voorzien van een koppelflap.

4. Optisch vezel-strookgeleidersamenstel volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat het onder de strookgeleider gelegen deel. van het substraat eindigt in een met de kopse rand van de strookgeleider samenvallend transversaal eindvlak, en dat de cilindrische microlens aan dat eindvlak is gelijmd.

5. Optisch vezel-strookgeleidersamenstel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de cilindrische microlens aan de kopse zijde van een capillair is gelijmd of gesoldeerd, waarin de vezel tot aan deze kopse zijde is uitgelijnd en vervolgens hierin is vastgelijmd of gesoldeerd.

6. Optisch vezel-strookgeleidersamenstel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de afmetingen van vezel en strookgeleider zodanig zijn dat zij in een trillingsmode licht voortplanten.

7. Optisch vezel-strookgeleidersamenstel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de strookgeleider als halfgeleiderlaser is uitgevoerd. —>\ — · · * , · > · * —» A