NL9100367A

NL9100367A - Opto-electronische inrichting bevattende een halfgeleiderlaser en een optische isolator.

Info

Publication number: NL9100367A
Application number: NL9100367A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1992-09-16
Also published as: JPH07101249B2; EP0501571B1; US5216737A; EP0501571A1; JPH04355417A; DE69203891T2; DE69203891D1

Description

Opto-electronische inrichting bevattende een halfgeleiderlaser en een optische isolator.

De uitvinding heeft betrekking op een opto-electronische inrichting met een halfgeleiderlaser en een optische isolator, omvattende een in een omhulling opgenomen halfgeleiderlaserelement, een met het halfgeleiderlaserelement gekop- ♦ pelde optische vezel, die voorts is gekoppeld met ten minste een optische isolator bestaande uit twee polarisatoren met daartussen een Faraday rotator, en een uitgaande optische vezel (pigtail).

Er bestaat tegenwoordig een duidelijke behoefte aan single mode lasers met lage ruiseigenschappen, voor toepassing bij b.v. optische telecommunicatie en video distribution, waarbij met zeer hoge frequenties wordt gewerkt. De voor deze toepassingen veelal gebruikelijke distributed feed back (DFB) lasers zijn echter erg gevoelig voor optische terugkoppeling. Vooral reflecties die kunnen optreden bij minder goede koppeling tussen twee optische vezels hebben een ongunstig effect op de goede werking van deze lasers. Er is reeds voorgesteld om een optische isolator in de inrichting op te nemen, ter beperking van de optische terugkoppeling naar het laserelement. Daarbij bestaat het streven de optische isolator op te nemen in de omhulling van de laser en aldus een modulaire opbouw te verkrijgen. Een voorbeeld van een dergelijke module is weergegeven in JP 63-252497 (A).

Een modulaire opbouw zoals is weergegeven in JP 63-252497 heeft echter ook bezwaren. De ruimte voor inbouw van verdere elementen, zoals de optische isolator, in een standaardommhulling van de halfgeleiderlaser is gering, zodat de vervaardiging van een dergelijke module ingewikkeld wordt. Voorts is het niet meer mogelijk de optische vezel rechtstreeks met het laserelement te koppelen, terwijl een rechtstreekse koppeling een gunstig optisch rendement heeft. Als na inbouw blijkt dat een van de delen van de inrichting een defect vertoont moet deze gehele inrichting, waarin de dure isolator al is opgenomen, worden vervangen.

De uitvinding heeft tot doel een opto-electronische inrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarbij geen beperkingen aanwezig zijn in de techniek van het optisch koppelen van de halfgeleiderlaser met de optische vezel, waarbij de vervaardiging niet onnodig gekompliceerd wordt, waarbij een testen van de onderdelen mogelijk is voordat de inrichting wordt samengebouwd en waarbij het toepassen van verschillende typen optische isolatoren, alsmede het toepassen van meerdere optische isolatoren zeer eenvoudig mogelijk is, terwijl toch een modulaire opbouw mogelijk is.

Om dit doel te bereiken vertoont de opto-electronische inrichting van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding het kenmerk, dat de halfgeleiderlaser en de optische isolator elk zijn opgenomen in een afzonderlijke module, dat de laser module in hoofdzaak plaats biedt aan het halfgeleiderlaserelement en aan een daarmee gekoppelde optische vezel welke eindigt in een ferrule die is opgenomen in een in hoofdzaak buisvormig uitsteeksel van de lasermodule, dat de module voor de optische isolator in hoofdzaak buisvormig is uitgevoerd waarbij in deze module achtereenvolgens zijn opgenomen een eerste graded index lens, ten minste een optische isolator, een tweede graded index lens en de met deze tweede graded index lens via een ferrule gekoppelde uitgaand optische vezel (pigtail), waarbij het buisvormige uitsteeksel van de lasermodule en een einddeel van de buisvormige optische module onderling zodanig zijn gevormd, dat een mechanische koppeling van de beide modules kan worden verkregen, waarbij gelijktijdig de optische koppeling tussen de beide modules plaats vindt.

De opto-electronische inrichting volgens de uitvinding bestaat uit twee modules, die uiteindelijk met elkaar verenigbaar zijn. Hierdoor wordt een groterre vrijheid in de constructieve opbouw verkregen dan bij toepassing van een enkele module. Bijvoorbeeld is het mogelijk bij de lasermodule elke gewenste koppeling tussen de halfgeleiderlaser en de optische vezel te realiseren, ook een rechtstreekse koppeling. Voorts kunnen de beide modules afzonderlijk worden getest voordat zij onderling worden verbonden, zodat kostbare uitval wordt voorkomen. Ook is de vervaardiging van de afzonderlijke modules eenvoudiger uit te voeren dan de vervaardiging van een enkele gecompliceerde module. De opbouw uit twee modules maakt het ook op eenvoudige wijze mogelijk om met de standaard lasermodule optische isolatoren van verschillende opbouw te verbinden. Ook maakt de afzonderlijke isolatormodule het eenvoudig om b.v. meer dan een isolator in te bouwen als de isolatie waarde extra hoog moet zijn. De toepassing van de twee separate modules, elk voorzien van een verbindingsdeel dat eenvoudige samenbouw mogelijk maakt, geeft derhalve een veel grotere mate van handelingsvrijheid dan bij toepassing van een enkele, van een optische isolator voorziene lasermodule.

Bij een gunstige uitvoeringsvorm van de opto-electronische inrichting volgens de uitvinding bestaat de de halfgeleiderlaser uit een distributed feed back (DFB) halfgeleiderlaser en is de optische koppeling tussen het laserelement en de in de lasermodule opgenomen optische vezel uitgevoerd als tapered pigtail.

Hierbij wordt een zeer effectieve koppeling verkregen met een DFB laser.

Een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding heeft het kenmerk, dat de ferrule waarin het einde van de optische vezel van de lasermodule is opgenoemen en het in samengestelde toestand van de beide modules daarnaar gerichte einde van de eerste graded index lens vlak zijn uitgevoerd en onder een geringe hoek staan ten opzichte van een vlak dat loodrecht staat op de optische as van het samenstel, terwijl tussen deze genoemde vlakken een geringe tussenruimte aanwezig is.

De overgang tussen deze vlakken kan beduidende reflecties opleveren. Door de schuine opstelling van de beide vlakken wordt een terugkoppeling naar het laserelement vermeden. Door het aanbrengen van een kleine tussenruimte tussen deze vlakken zal de nagenoeg evenwijdige lichtbundel van het laserelement de graded index lens onder een kleine hoek verlaten. Daardoor worden reflecties van alle getroffen, ongeveer loodrecht op de optische as staande vlakken naast de fiberkem afgebeeld, zodat terugkoppeling naar de laser niet zal optreden.

De tussenruimte tussen de vlakken van de ferrule en de eerste graded index lens geeft een uitstekende werking, als zijn grootte is gelegen tussen 50 pm en 500 μτη en bij voorkeur ongeveer 200 μιη bedraagt.

De uitvinding zal aan de hand van een in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht. In de tekening toont:

Fig. 1 een doorsnede van een uitvoeringsvorm van de lasermodule,

Fig. 2 een doorsnede van een uitvoeringsvorm van een isolatormodule,

Fig. 3 een doorsnede van een samenstel van een laser met een optische isolator, waarbij de isolatormodule is gemodificeerd ten opzichte van de isolatormodule uit fig. 2,

Fig. 4 een schematische opbouw van de optiek van de isolator koppeling en

Fig. 5 een gemodificeerde schematische opbouw van de isolator koppeling uit fig. 4.

De opto-electronische inrichting volgens de uitvinding heeft een modulaire opbouw. Er is evenwel niet gekozen voor een enkele module maar de inrichting is gevormd als een samenstel van een lasermodule en een isolatormodule. Voordelen hiervan zijn in het voorgaande reeds aangegeven; in de hierna volgende beschrijving zullen verdere gunstige aspecten nader worden aangegeven.

In Fig. 1 is een uitvoeringsvorm weergegeven van een lasermodule 1 die kan worden toegepast bij de opto-electronische inrichting volgens de uitvinding. Het weergegeven voorbeeld toont een standaardomhulling van het type DIL 14. In het huis 2 is een laserelement 3 aangebracht op een koelblok 4, dat zich op een drager 5 bevindt. Deze drager is geplaatst op een Peltier koelinrichting die in zijn algemeenheid is aangegeven met het verwijzingscijfer 6. Op de drager 5 bevindt zich voorts een houder 7 waaraan een fotodiode 8 is bevestigd. De fotodiode 8 meet de door de laserdiode uitgestraalde hoeveelheid licht; het in de fotodiode opgewekte signaal wordt gebruikt om de intensiteit van de emissie van de halfgeleiderlaserdiode 3 te regelen.

Een optische vezel 9 is gekoppeld met de halfgeleiderlaserdiode 3. In het weergegeven uitvoeringsvoorbeeld wordt een rechtstreekse koppeling van het laserlicht in de vezel 9 toegepast waarbij gebruik wordt gemaakt van een getaperde glasvezel (tapered pigtail). Deze op zichzelf bekende koppeltechniek heeft een zeer gunstig rendement. Nabij zijn getaperde einde 10 is de vezel opgenomen in een steun 11. Het huis 2 heeft een pijpvormig uitsteeksel 12 waarin een buisstuk 13 is opgenomen, dat de uit de omhulling gevoerde optische vezel 9 geleidt. De optische vezel wordt in een draagelement 14 uit de omhulling gevoerd; het einde van de vezel is opgenomen in een deel 15 van de ferrule 13,15. Een deksel 16 sluit de omhulling hermetisch af.

De in Fig. 1 als voorbeeld weergegeven eenheid vormt een lasermodule die is ontwikkeld om in samenwerking met een module voor een optische isolator te worden toegepast voor een opto-electronische inrichting, bij voorkeur voor een inrichting voor zeer hoge frequenties, ten behoeve van telecommunicatie of video-distribution. Bij voorkeur wordt daarbij een DFB halfgeleiderlaser toegepast en vindt de koppeling met de optische vezel plaats met behulp van de tapered pigtail koppeltechniek. Deze module kan afzonderlijk worden afgeregeld en getest, voordat hij wordt verbonden met een module van een optische isolator. Enerzijds wordt daarbij bereikt, dat vóór het samenstellen van de dure totaaleenheid kan worden nagegaan of de werking van de lasermodule optimaal is en anderzijds wordt de mogelijkheid gecreëerd om de lasermodule te verbinden met optische isolatoren van verschillende opbouw.

Met name de voor zeer hoge frequenties geschikte DFB

halfgeleiderlasers zijn gevoelig voor optische terugkoppeling, hetgeen kan leiden tot relatief hoge ruis. Br is daarom een duidelijke behoefte aan, van een laser voorziene opto-electronische inrichting die is voorzien van een of meer optische isolatoren.

Fig. 2 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een optische isolator die geschikt is om samen te werken met de lasermodule uit Fig. 1. In een buisvormige houder 16 is een optische isolator 17 opgenomen. Een dergelijke isolator zorgt ervoor dat licht slechts in een richting wordt doorgelaten of dat de polarisatie van het licht zodanig veranderd wordt, dat het gereflecteerde licht geen invloed meer heeft op de laser. De isolator 17 bestaat, in op zichzelf bekende wijze, uit twee polarisatoren met daartussen een Faraday rotator. Voor de Faraday rotator wordt veelal gebruik gemaakt van Yttrium-Iron-Gamet (YIG) kristallen, terwijl de polarisatoren meestal bestaan uit calciet- of plaatpolarisatoren.

De optische koppeling met de glasvezel van de lasermodule vindt plaats met behulp van een graded index lens 18, die op zijn beurt optisch is gekoppeld met de isolator 17. Aan de uitgangszijde is de isolator 17 gekoppeld met een verdere graded index lens 19. De koppeling met de uitgaande optische vezel 20 (pigtail) vindt plaats via een ferrule 21 waarin een einde van deze vezel is opgenomen.

De in Fig. 2 weergegeven module 22 van de optische isolator kan middels de buisvormige houder 16 tot een eenheid worden verbonden met de lasermodule 1. Eerst kunnen evenwel de lasermodule alsook de dure optische module op hun eigenschappen worden getest, zodat alleen geschikte modules tot een samenstel worden gevormd. Het zal duidelijk zijn dat zowel de weergegeven uitvoering van de lasermodule 1 uit Fig. 1 alsook de isolatormodule 22 uit Fig. 2 slechts een voorbeeld vormen van een samen te stellen opto-electronische inrichting. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk, ter verkrijging van een grotere optische isolatie, een (of meer) verdere isolator(en) in serie met de isolator 17 in de module 22 voor de optische isolator op te nemen.

Fig. 4 toont schematisch de optiek voor de in Fig. 2 weergegeven optische module, bestaande uit ferrule 15 van de lasermodule 1, de graded index lens 18, de optisch isolator 17, de grade index lens 19 en de ferrule 21 voor de pigtail 20. Een dergelijke optiek moet een isolatie waarde hebben van ruim 30 dB. In de praktijk blijken er bij deze opbouw toch nog reflecties op te kunnen treden, die de ruisverhouding ongunstig beïnvloeden. Gunstiger is een uitvoeringsvorm van de optiek zoals schematisch is weergegeven in Fig. 4, en die een inventief belangrijke bijdrage levert aan de opto-electronische inrichting volgens de uitvinding.

De optiek van Fig. 5 vermijdt in hoge mate het terugkoppelen van ongewenste reflecties in de halfgeleiderlaser 3. Bij deze optiek staan de naar elkaar toegerichte vlakken 23 en 24 van de ferrule 15 en de grade index lens 18 onder een geringe hoek ten opzichte van een vlak loodrecht op de as van het optische systeem en is er tussen deze vlakken een vrije ruimte gecreëerd van ongeveer 20 to 500 μχη, bij voorkeur ongeveer 200 μηι. Voorts is het naar de graded index lens 19 gekeerde vlak van de ferrule 21 onder een geringe hoek geplaatst ten opzichte van een vlak loodrecht op de as van het optisch systeem en bevindt dit vlak zich op een geringe afstand van het vlak 26 van de graded index lens 19. De hoek van het vlak 23 van de ferrule 15 en het vlak 24 van de graded index lens voorkomt reflecties van dat vlak. De tussenruimte tussen deze vlakken geeft een soort offset in de x-richting (virtueel beeld) waardoor de bundel de graded index lens onder een kleine hoek zal verlaten. Reflecties van alle vlakken ongeveer loodrecht op de asrichting van het optische systeem worden dan naast de vezelkem afgebeeld en zullen het lasergedrag derhalve niet beïnvloeden. Het schuine vlak 25 van ferrule 21 en het daarin opgenomen uiteinde van de fiber 20 zorgt samen met de tussenruimte tussen de vlakken 25 en 26 ervoor dat de bundel goed gecentreerd en nagenoeg axiaal het uiteinde van de fiber 20 binnenkomt.

In Fig. 3 is een samenstel weergegeven van een lasermodule zoals weergegeven in Fig. 1 en een module voor een optische isolator met een optisch systeem dat in Fig. 5 schematisch is weergegeven. De lasermodule 1 komt overeen met de module die in Fig. 1 is weergegeven. De optische module toont, naast de in Fig. 5 schematisch weergegeven optiek, een uitgang voor de pigtail 20 die zowel in x, y als z-richting instelbaar is ten opzichte van de graded index lens 19. Hiertoe is de pigtail 20 met ferrule 21 opgenomen in een instelelement 23. De ferrule 21 kan hierin axiaal worden ingesteld ten opzichte van de graded index lens 19, terwijl het instelelement 23 zelf in een richting loodrecht op de optische as instelbaar is. Zodoende kan een uitstekende koppeling tussen de lens 19 en de ferrule 21 van de pigtail 20 worden verkregen.

Het zal duidelijk zijn dat de weergegeven uitvoeringsvormen slechts dienen als een voorbeeld ter illustratie van de uitvinding en dat in het kader van de uitvinding constructieve wijzigingen mogelijk zijn.

Claims

1. Opto-electronische inrichting met een halfgeleiderlaser en een optische isolator, omvattende een in een omhulling opgenomen halfgeleiderlaserelement, een met het halfgeleiderlaserelement gekoppelde optische vezel, die voorts is gekoppeld met ten minste een optische isolator bestaande uit twee polarisatoren met daartussen een Faraday rotator, en een uitgaande optische vezel (pigtail), met het kenmerk, dat de halfgeleiderlaser en de optische isolator elk zijn opgenomen in een afzonderlijke module, dat de lasermodule in hoofdzaak plaats biedt aan het halfgeleiderlaserelement en aan een daarmee gekoppelde optische vezel welke eindigt in een ferrule die is opgenomen in een in hoofdzaak buisvormig uitsteeksel van de lasermodule, dat de module voor de optische isolator in hoofdzaak buisvormig is uitgevoerd waarbij in deze module achtereenvolgens zijn opgenomen een eerste graded index lens, ten minste een optische isolator, een tweede graded index lens en de met deze tweede graded index lens via een ferrule gekoppelde uitgaand optische vezel (pigtail), waarbij het buisvormige uitsteeksel van de lasermodule en een einddeel van de buisvormige optische module onderling zodanig zijn gevormd, dat een mechanische koppeling van de beide modules kan worden verkregen, waarbij gelijktijdig de optische koppeling tussen de beide modules plaats vindt.

2. Opto-electronische inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de halfgeleiderlaser bestaat uit een distributed feed back (DFB) halfgeleiderlaser en dat de optische koppeling tussen het laserelement en de in de lasermodule opgenoemen optische vezel is uitgevoerd als tapered pigtail.

3. Opto-electronische inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ferrule waarin het einde van de optische vezel van de lasermodule is opgenomen en het in samengestelde toestand van de beide modules daarnaar gerichte einde van de eerste graded index lens vlak zijn uitgevoerd en onder een geringe hoek staan ten opzichte van een vlak dat loodrecht staat op de optische as van het samenstel, terwijl tussen deze genoemde vlakken een geringe tussenruimte aanwezig is.

4. Opto-electronische inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de tussen de vlakken van de ferrule en de eerste graded index lens aanwezige tussenruimte een grootte heeft van 50 tot 500 μτη, bij voorkeur ongeveer 200 μτη.