SE465001B

SE465001B - LASER Diode with built-in signal detector

Info

Publication number: SE465001B
Application number: SE8903816A
Authority: SE
Inventors: M Davidsson
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1991-07-08
Also published as: SE8903816L; WO1991007788A1; SE8903816D0

Description

465 001 E 2 sänts i den motsatta riktningen. Som exempel har olika typer av accelera- tions- och temperatursensorer ett avkännande element som luminiserar ljus från en optisk fiber i proportion till avkända förändringar i sensorn orsakade av övervakade förhållanden. Det luminiserade ljuset är av annan våglängd och återsänds genom fibern. 465 001 E 2 is sent in the opposite direction. As an example, different types of acceleration and temperature sensors have a sensing element that lumines light from an optical fiber in proportion to sensed changes in the sensor caused by monitored conditions. The luminescent light is of a different wavelength and is transmitted through the fiber.

En tvåvägs fiberoptisk utrustning med endast en fiber för kommunikation finns beskriven i det amerikanska patentet US 4,709,ü13. I denna beskrivs en kopplingsanordning, där en ljuskälla är kopplad genom ett hål med liten diameter i den aktiva ytan på en fotodiod in i kärnan på en optisk fiber med större diameter än hålet. Ljus som kommer ut ur fibern från den ring- formiga ytan runt fiberkärnan träffar fotodioden som omger hålet. Fotodio- den kan då mottaga ljus utsänt i den andra riktningen. Även denna kon- struktion har begräsningar då den kräver speciell design på den optiska fibern och byggs samman av diskreta komponenter till en enhet. Dessutom förekommer en viss överhörning mellan kanalerna då ljus reflekteras i den optiska fiberns ändyta, och andra skarvar bakåt mot fotodioden.A two-way fiber optic equipment with only one fiber for communication is described in U.S. Patent 4,709,113. This describes a coupling device in which a light source is connected through a small diameter hole in the active surface of a photodiode into the core of a larger diameter optical fiber than the hole. Light coming out of the fiber from the annular surface around the fiber core hits the photodiode surrounding the hole. The photodiode can then receive light emitted in the other direction. This construction also has limitations as it requires special design on the optical fiber and is assembled from discrete components into one unit. In addition, there is a certain crosstalk between the channels when light is reflected in the end surface of the optical fiber, and other splices backwards towards the photodiode.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En metod för att sända ljus in i en optisk fiber är att använda en laser- diod. Genom att modifiera en laserdiod så att den både sänder ljus med en viss våglängd och detekterar ljus med en annan våglängd erhålls en aktiv komponent för båda ändamålen, en komponent som skulle kunna tillhanda- hållas i olika standardutföranden. Om en laserdiod av standardutförande kompletteras med ett filter mellan laserkristall och monitordiod, där filtret reflekterar eller absorberar den av laserkristallen inåt emitte- rade strålningen kan monitordioden användas som detektor för ljus av annan våglängd än den av den egna laserkristallens utsända ljus. På så sätt er- hålles en sådan aktiv komponent för samtidig sändning och mottagning av ljus på sinsemellan skilda våglängder.DESCRIPTION OF THE INVENTION One method of transmitting light into an optical fiber is to use a laser diode. By modifying a laser diode so that it both emits light with a certain wavelength and detects light with a different wavelength, an active component is obtained for both purposes, a component that could be provided in different standard embodiments. If a standard laser laser diode is supplemented with a filter between the laser crystal and the monitor diode, where the filter reflects or absorbs the radiation emitted by the laser crystal inwards, the monitor diode can be used as a detector for light of a different wavelength than the light emitted by the own laser crystal. In this way, such an active component is obtained for simultaneous transmission and reception of light at mutually different wavelengths.

En konventionell halvledarlaser är inbyggd i en kapsel av standardformat bestående av en kanna fäst på en sockelplatta genom vilken anslutningsben leder till de inre enheterna. På en kylkropp förbunden med sockelplattan är en laserkristall monterad. Denna sänder ut ljus från två speglar i ändarna på en laserkavitet. Lika mycket ljus emitteras därigenom åt två håll från kaviteten. Den ena strålen riktas rakt inåt mot sockelplattan, där en fotodiod monterats. Den andra passerar ut genom en fönsterförsedd 465 001 öppning i laserdiodens kapsel. Fotodio , utnyttjas för övervakning av laserkristallens optiska uteffekt och benämns därför monitordiod.A conventional semiconductor laser is built into a standard format capsule consisting of a jug attached to a base plate through which connecting legs lead to the inner units. A laser crystal is mounted on a heat sink connected to the base plate. This emits light from two mirrors at the ends of a laser cavity. The same amount of light is thereby emitted in two directions from the cavity. One beam is directed straight inwards towards the base plate, where a photodiode is mounted. The other passes out through a windowed 465 001 opening in the laser diode capsule. Photodio, is used to monitor the optical output of the laser crystal and is therefore called a monitor diode.

Genom att montera ett filter med en viss karaktäristik mellan laser- kristall och monitordiod kan monitordioden användas för detektering av ljus med en annan våglängd än laserkristallens, dvs laserdiodens eget utsända ljus. Filtret har till uppgift att förhindra ljus från laser- kristallen att nå monitordioden. Detta filter kan t ex vara ett inter- ferensfilter. Beroende på om det ljus som skall detekteras av den modi- fierade laserdioden har längre eller kortare våglängd än det emitterade ljusets kan filtret vara ett långpassfilter resp kortpassfilter. Även ett bandpassfilter kan vara aktuellt om passbandet är tillräckligt brett i förhållande till bandbredden hos det ljus som skall detekteras.By mounting a filter with a certain characteristic between laser crystal and monitor diode, the monitor diode can be used for detecting light with a different wavelength than the laser crystal's, ie the laser diode's own emitted light. The purpose of the filter is to prevent light from the laser crystal from reaching the monitor diode. This filter can, for example, be an interference filter. Depending on whether the light to be detected by the modified laser diode has a longer or shorter wavelength than the emitted light, the filter can be a long-pass filter or short-pass filter. A bandpass filter may also be relevant if the bandwidth is wide enough in relation to the bandwidth of the light to be detected.

Placeringen av filtret mellan laserkristall och fotodiod har stor betyd- else för önskad funktion. Filtret kan utföras som ett fristående substrat i tunt glas, där den aktiva filterkomponenten påförts som en beläggning på glasytan genom förångning av filtermaterialet. Med denna metod har en dämpning av det bakåt riktade laserljuset med 20 dB uppmåtts. Det' är ett mycket lägre värde än vad som teoretiskt är möjligt genom jämför= med gällande data för filtret. Anledningen till det sämre experimentella re- sultatet är att en del av ljuset från laserkristallen reflekteras mot kap- selns inneryta och når monitordioden.The placement of the filter between the laser crystal and the photodiode is of great importance for the desired function. The filter can be designed as a free-standing substrate in thin glass, where the active filter component is applied as a coating on the glass surface by evaporation of the filter material. With this method, an attenuation of the backward directed laser light by 20 dB has been measured. It 'is a much lower value than what is theoretically possible by comparing = with the current data for the filter. The reason for the poorer experimental result is that some of the light from the laser crystal is reflected towards the inner surface of the capsule and reaches the monitor diode.

Bättre resultat kan uppnås om interferensfiltret förangas direkt på ytan av den fotodiod som monterats som monitordiod. En annan möjlighet är att förånga filtret direkt på spegeln till den laserkristall som är vänd mot monitordioden eller eventuellt på både mf itordiod och laserkristall.Better results can be obtained if the interference filter is evaporated directly on the surface of the photodiode mounted as a monitor diode. Another possibility is to vaporize the filter directly on the mirror to the laser crystal facing the monitor diode or possibly on both the mf itor diode and the laser crystal.

Ytterligare ett sätt att förbättra dämpn1.;en av laserljuset är att mon- tera en tunn skiva av ett absorberande material mellan laserkristall och monitordiod. Materialet i denna skiva kan vara färgat glas eller ännu hellre GaAlAs vars bﬂrdgap kan anpassas för absorption av våglängden hos laserljuset ifråga.Another way to improve the attenuation of the laser light is to mount a thin sheet of an absorbent material between the laser crystal and the monitor diode. The material of this disc may be colored glass or more preferably GaAlAs whose bore gap may be adapted to absorb the wavelength of the laser light in question.

I samn;nhanget kan nämnas att det restljus från laserkristallen som efter impn;-g når monitordioden utnyttjas för den nödvändiga utstyrningen av laserkristallen. n 463 001 A “ Som nämnts ovan är den experimentellt åstadkomna dämpningen relativt låg jämfört med teoretiskt förväntad och lägre än vad som krävs i många appli- kationer. En förklaring till detta ges av att transmittansen för ett interferensfilter förändras alltefter infallande ljusets infallsvinkel.In this context, it can be mentioned that the residual light from the laser crystal which reaches the monitor diode after impn; -g is used for the necessary equipment of the laser crystal. n 463 001 A “As mentioned above, the experimentally obtained attenuation is relatively low compared to theoretically expected and lower than that required in many applications. An explanation for this is given by the fact that the transmittance of an interference filter changes according to the angle of incidence of the light.

Detta bestäms av en förskjutning mot kortare våglängd av den så kallade "cut on"-våglängden, den våglängd vid vilken transmittansen i filtret är 5 X av den maximala. Denna våglängdsförskjutning ges av formeln Ä = Äcut-on V 1-(no/ni)2sin2e där xcut_0n är "cut-on"-våglängden vid normalt infall X är den nya förskjutna "cut-on"-våglängden no är brytningsindex utanför filtret ni är det viktade brytningsindex för interferensfiltret 6 är ljusets infallsvinkel Denna formel är giltig främst för små vinklar men tendensen är densamma även för större infallsvinklar. Av detta ges att en större andel, av det ljus som reflekterats och träffar filtret under en större infallsvinkel transmitteras.This is determined by a shift towards shorter wavelength of the so-called "cut on" wavelength, the wavelength at which the transmittance in the filter is 5 X of the maximum. This wavelength shift is given by the formula Ä = Äcut-on V 1- (no / ni) 2sin2e where xcut_0n is the "cut-on" wavelength at normal incidence X is the new offset "cut-on" wavelength no is the refractive index outside the filter ni is the weighted refractive index of the interference filter 6 is the angle of incidence of the light This formula is valid mainly for small angles but the tendency is the same even for larger angles of incidence. From this it is given that a larger proportion of the light that is reflected and hits the filter during a larger angle of incidence is transmitted.

Det går att anpassa filterkaraktäristiken till laserns centervåglängd och spridningsvinkel så att i det närmaste 100 X av det från laserkristallen emitterade ljuset reflekteras mot filtret. Dessvärre förloras kontrollen över ljusets strålgång efter reflektionen.It is possible to adapt the filter characteristics to the center wavelength and scattering angle of the laser so that almost 100 X of the light emitted from the laser crystal is reflected towards the filter. Unfortunately, control over the light beam is lost after reflection.

Såvida inte ljusets strålgång kan kontrolleras efter reflektion mot filt- ret begränsar detta förhållande möjlig grad av isolation mellan laser- kristall och monitordiod. För att kringgå denna oönskade effekt kan ett absorptionsfilter, eventuellt i kombination med ett interferensfilter användas. Fördelen med ett absorptionsfilter är att ljuset på ett kontrol- lerat sätt absorberas. En nackdel är att det behövs ett relativt tjockt filter för att dämpa ut ljuset i lika hög grad som ett motsvarande inter- ferensfilter. Om ett sådant filter skall få plats mellan laserkristall och monitordiod i en kapsel av typ TO-46 eller liknande måste filtret applice- ras direkt mot monitordiodens yta. Vidare måste filtret vara tunt. Genom att använda ett halvledarmaterial, med ett bandgap vars energi ligger mitt emellan energin för laserljuset och ljuset för den signal som skall detek- teras, fås ett mycket tunt filter med brant absorptionskruva. Tänkbara ma- 0! 5 465 001 terial är skikt ß _xAlxAs för absorption av kortare våglängder och Ga1_xInxAs1“yPy ; ingre våglängder med oli? alt av aluminium respek- tive inditnffosfor för att erhålla det önskade idgapet. Det skikt som föredras kan limmas mot monitordioden eller appliceras redan vid till- verkningen av densamma. I denna konstruktion är det lämpligt att inkor- porera två fotodioder, en med filter och en utan filter, detta för att inte mista funktionen av en monitordiod.Unless the beam path of the light can be checked after reflection against the filter, this condition limits the possible degree of isolation between the laser crystal and the monitor diode. To circumvent this undesirable effect, an absorption filter, possibly in combination with an interference filter, can be used. The advantage of an absorption filter is that the light is absorbed in a controlled manner. A disadvantage is that a relatively thick filter is needed to dim the light to the same degree as a corresponding interference filter. If such a filter is to fit between the laser crystal and the monitor diode in a TO-46 or similar capsule, the filter must be applied directly to the surface of the monitor diode. Furthermore, the filter must be thin. By using a semiconductor material, with a bandgap whose energy lies midway between the energy of the laser light and the light of the signal to be detected, a very thin filter with a steep absorption screw is obtained. Possible ma- 0! 5 465 001 terial is layer ß _xAlxAs for absorption of shorter wavelengths and Ga1_xInxAs1 “yPy; inner wavelengths with oil? all of aluminum or inditnphosphorus to obtain the desired gap. The preferred layer can be glued to the monitor diode or applied already in the manufacture of the same. In this construction, it is suitable to incorporate two photodiodes, one with filter and one without filter, in order not to lose the function of a monitor diode.

Genom att använda en så kallad DIL-kapsel, Dual In Line, fås ett större utrymme för laserkristall och fotodiod med filter. Denna konstruktion ger plats för både ett absorptionsfilter och ett interferensfilter. Här kan också en Peltierkylare ingå på vilken laserkristallen anbringats. Integre- ring av ett Peltierelement är en stor fördel då livslängden för laser- kristallen kan ökas betydligt genom kylning av densamma. Laserkristall, monitordiod och fotodiod är i detta fall monterade på så kallade "chip carrier"-hållare.By using a so-called DIL capsule, Dual In Line, a larger space for laser crystal and photodiode with filter is obtained. This design provides space for both an absorption filter and an interference filter. This can also include a Peltier cooler on which the laser crystal has been applied. Integration of a Peltier element is a great advantage as the life of the laser crystal can be significantly increased by cooling it. Laser crystal, monitor diode and photodiode are in this case mounted on so-called "chip carrier" holders.

Användningsområdet för denna uppfinning kan vara inom full-duplex kommu- nikation via en enda optisk fiber, då med lasrar av olika sändningsvàg- längder och med filter av olika karaktäristik, eller i sensortillämpningar där andra typer av aktiva eller passiva komponenter används idag. Anord- ningen är också lämpad i mätutr' tningar där laserljus utsänds i e*dast en riktning i fibern medan i en övarvakningsenhet luminiscens utnytt s för återsändning av information i en signal på en annan våglängd.The field of application of this invention may be in full-duplex communication via a single optical fiber, then with lasers of different transmission path lengths and with filters of different characteristics, or in sensor applications where other types of active or passive components are used today. The device is also suitable in measuring devices where laser light is emitted in only one direction in the fiber, while in a monitoring unit the luminescence is used for retransmission of information in a signal at a different wavelength.

Vid masstillverkning och standardisering kan laserdioden i denna r" finn- ing göras billig. Endast en fiber behövs för kommunikation och mi elektronik behövs vid varje fiberanslutning. Standardkapslingar kan an- vändas.In mass production and standardization, the laser diode in this invention can be made inexpensive. Only one fiber is needed for communication and electronics are needed for each fiber connection. Standard enclosures can be used.

FIGURER Figur 1. Ett snitt genom en laserdiod som visar principen för en laserdiod modifierad med ett interferensfilter.FIGURES Figure 1. A section through a laser diode showing the principle of a laser diode modified with an interference filter.

Figur 2 visar hur en laserdiod i en standardkaps'ing försetts med ytter- ligare en fotodiod som är belagd med ett absorptionsfilter. 465 001 6 Figur 3 visar hur filter kan placeras i en laserdiod med DIL-kapsel.Figure 2 shows how a laser diode in a standard housing is provided with another photodiode which is coated with an absorption filter. 465 001 6 Figure 3 shows how filters can be placed in a laser diode with a DIL capsule.

Figur 4 i sin tur anger schematiskt hur uppfinningen kan utnyttjas för full duplex kommunikation över en optisk fiber.Figure 4 in turn schematically indicates how the invention can be used for full duplex communication over an optical fiber.

UTFöRINcsFoRMER En föreslagen utföringsform beskrivs med hänvisning till figur 1. En vanlig standardkapsel 1 är monterad på en sockel 2 med centreringsring 3.EMBODIMENTS A proposed embodiment is described with reference to Figure 1. An ordinary standard capsule 1 is mounted on a base 2 with centering ring 3.

Genom sockeln finns anslutningstrådar 4. Laserkristallen 5 är placerad längst ut på en kylkropp 6 med den ena kaviteten vänd inåt mot monitor- dioden 7 och den andra kaviteten vänd utåt mot glasförsedda öppningen 8.Through the base there are connecting wires 4. The laser crystal 5 is placed at the far end of a heat sink 6 with one cavity facing inwards towards the monitor diode 7 and the other cavity facing outwards towards the glazed opening 8.

Laserkristallen 5 emitterar ljus med våglängden 780 nm. Mellan laser- kristall 5 och monitordiod 7 har ett filter 9 limmats fast. Filtret är av interferenstyp och transmitterar i huvudsak i detta exempel ljus som har större våglängd än 850 nm. I detta fall måste samma fotodiod fungera som både monitordiod 7 för styrning av laserkristallen och som detektor för mottaget laserljus med våglängder som överstiger 850 nm.The laser crystal 5 emits light with a wavelength of 780 nm. A filter 9 has been glued between the laser crystal 5 and the monitor diode 7. The filter is of the interference type and mainly transmits in this example light having a wavelength greater than 850 nm. In this case, the same photodiode must function as both a monitor diode 7 for controlling the laser crystal and as a detector for received laser light with wavelengths exceeding 850 nm.

Om utrymme finns inuti kapseln 1, som till exempel T0-46-kapseln i fig 2, kan en extra fotodiod 10 inrymmas, vilken då används som detektor medan monitordioden 7 arbetar på normalt sätt. Fotodioden 10 är då belagd med ett absorptionsfilter 11 som måste vara tunt. Materialet i filtret 11 kan vara Ga1_xAlxAs, CdTe eller andra kombinationer beroende på det våg- längdsspektrum som skall bortfiltreras.If there is space inside the capsule 1, such as the T0-46 capsule in Fig. 2, an additional photodiode 10 can be accommodated, which is then used as a detector while the monitor diode 7 operates in the normal way. The photodiode 10 is then coated with an absorption filter 11 which must be thin. The material in the filter 11 can be Ga1_xAlxAs, CdTe or other combinations depending on the wavelength spectrum to be filtered out.

En annan föreslagen utföringsform av uppfinningen åskådliggöres i figur 3.Another proposed embodiment of the invention is illustrated in Figure 3.

Här används en DIL-kapsel 16. En optisk fiber 15 är fast kopplad till kapseln 16. Ljus som sänds ut av laserkristallen 5 riktas rakt in i fibern 15. Litet av detta ljus uppfângas även av monitordioden 7 som är monterad på en så kallad chip carrier 12 och som styr laserkristallen 5. Fotodioden 10 fungerar som detektor genom att mottaga ljus från fibern 15. Mellan laserkristallen 5 och fotodioden 10 är placerat i detta utförande ett interferensfilter 9 och absorptionsfilter 11 för att filtrera bort ljus från laserkristallen 5. Även fotodioden är monterad på en chip carrier lå.Here a DIL capsule 16 is used. An optical fiber 15 is fixedly connected to the capsule 16. Light emitted by the laser crystal 5 is directed straight into the fiber 15. Some of this light is also captured by the monitor diode 7 which is mounted on a so-called chip. carrier 12 and which controls the laser crystal 5. The photodiode 10 acts as a detector by receiving light from the fiber 15. Between the laser crystal 5 and the photodiode 10 an interference filter 9 and absorption filter 11 are placed in this embodiment for filtering light away from the laser crystal 5. The photodiode is also mounted on a chip carrier lay.

En förförstärkare 17 för fotodioden 10 kan också inrymmas. För att aktivt kyla laserkristallen 5 är denna integrerad med ett Peltierelement 13. *aA preamplifier 17 for the photodiode 10 can also be accommodated. To actively cool the laser crystal 5, this is integrated with a Peltier element 13. * a

Claims

7 465 001 Schematically shows in figure 4 how a link for full-duplex communication via an optical fiber can be provided. Two laser diodes 18 according to this invention are connected to each end face of an optical fiber 19 with optional intermediate lenses 20. The laser crystal 21 transmits light of wavelength X1, via the fiber 19, is transmitted by the filter 23 and then received by the detector 25. The filter 23 reflects light for the laser crystal 22, which in turn transmits light in the opposite direction with the wavelength X2 through the fiber 19 and is transmitted through the filter 22 to the detector 26. The filter 24 reflects light from the laser crystal 21.

A laser diode comprising laser crystal (5) and monitor diode (7) characterized in that the laser diode is equipped with at least one filter (9, 11), which prevents most of the light from the laser crystal (5) from being detected by the monitor diode (7). or by at least one built-in photodiode (10).

A laser diode according to claim 1, characterized in that the filter (9, 11) is either at least one interference filter or at least one absorption filter or a combination of the two.

A laser diode according to claims 1 and 2, characterized in that the filter (9, 11) is freely mounted between laser crystal (5) and monitor diode (7) and photodiode (10), respectively, or directly applied as a filter layer on the laser crystal. (5) and / or monitor diode (7) and photodiode (10), respectively.

A laser diode according to claims 1-3, characterized in that the laser crystal (5) emits light of one wavelength and the monitor diode (7) and the photodiode (10) respectively detect light of another wavelength.