DE19704502C1

DE19704502C1 - Lasermodul mit Ankoppeloptik und Verfahren zur Feinjustierung der Ankoppeloptik

Info

Publication number: DE19704502C1
Application number: DE19704502A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Auracher; Christoph Dr Hamann; Henning Hanebuth; Julius Wittmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2017-02-07
Also published as: WO1998035252A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufbau für Lasermodule bei der eine Feinjustierung der Ankoppeloptik vorzunehmen ist. Das Lasermodul enthält in der Regel verschiedene auf einem Träger montierte und gegenseitig ausgerichtete Bestandteile wie Halbleiterlaser, Umlenkspiegel und Ankoppellinse.

Ein derzeit üblicher mikrooptischer Aufbau eines Lasermoduls wird in Fig. 1 gezeigt. Dieser Aufbau ist beispielsweise in einem TO (Transistor Outline)-Gehäuse untergebracht. Auf ei nem beispielsweise aus Silizium bestehenden Träger befinden sich ein Umlenkspiegel, beispielsweise ein verspiegeltes Prisma, ein Laserhalbleiterelement und eine Ankoppeloptik, die in der Regel aus einer Linse besteht. Die einzelnen Be standteile werden nacheinander auf dem Träger aufgebracht. Hierzu werden beispielsweise Prismenstreifen auf eine ent sprechend strukturierte Siliziumscheibe, beispielsweise mit tels eines anodischen Bondverfahrens aufgebracht. Anschlie ßend werden die Laserchips bezüglich der Prismenstreifen pas siv justiert und auf den Siliziumträger aufgelötet. Die ge samte Anordnung leitet den Strahlengang des von der Halblei terlaserdiode emittierten Lichtes über das verspiegelte Prisma zur Ankoppeloptik und weiter beispielsweise zu einer Glasfaser oder einem anderen optischen Element.

In Fig. 1 ist weiterhin ein Monitorelement bzw. eine Moni tordiode zur Überwachung des Halbleiterlaserelementes darge stellt. Der Strahlengang in Richtung auf die Monitordiode wird ebenfalls über ein verspiegeltes Prisma umgeleitet.

Die bei heutiger Technik erreichbare Lagegenauigkeit bei der Montage der Linse der Ankoppeloptik liegt etwa bei 5 bis 10 µm. In Lasermodulen, wie sie in der optischen Übertragungs technik für Monomode-Glasfasern bei Wellenlängen von 1,3 bis 1,5 µm eingesetzt werden, muß jedoch der Arbeitsabstand der Ankoppellinse vom Laserchip mit einer Präzision von etwa 1 bis 2 µm eingehalten werden. Der Arbeitsabstand ergibt sich aus den Strecken des Strahlenganges zwischen dem Halbleiter chip und der verspiegelten Prismafläche, sowie dem Abstand von dort zur Ankoppeloptik.

Im Stand der Technik wird derzeit der Abstand eines jeden einzelnen Laserchips von der Prismenkante vermessen und ent sprechend der gemessenen Arbeitsabstände wird jedem Laserchip eine Linse mit passender Brennweite zugeordnet. Anschließend wird der Laser betrieben und die zugehörige Linse wird late ral (zwei-dimensional in ebenen Richtungen) justiert. Somit wird die geforderte Richtung des Laserstrahles eingestellt. Die vorher fixierte Linse wird beispielsweise durch eine Kle bung oder durch Laserlöten am Linsenträger befestigt.

Nachteile des Standes der Technik bestehen darin, daß für je den individuellen Halbleiterlaser eine individuelle Linsen auswahl getroffen werden muß.

Aus der deutschen Patentschrift DE 29 18 100 ist ein Verfah ren zum automatischen Justieren feinwerktechnischer Teile be kannt. Hierbei werden insbesondere Kontaktfedern durch einen definierten Verzug justiert. Dies geschieht durch berührungs loses lokales Aufschmelzen an den entsprechenden Teilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasermodul mit einer Ankoppeloptik und ein Verfahren zur Feinjustierung der Ankoppeloptik zur Verfügung zu stellen, womit eine Feinju stierung der Ankoppeloptik im Mikrometerbereich ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein speziel ler Linsenträger mit einer für sämtliche Laserchips einsetz baren einheitlichen Linse kombiniert werden kann. Die Linse wird mit diesem Träger verbunden und relativ zum Laserchip justiert und fixiert. Damit liegt zunächst die Strahlrichtung fest. Anschließend wird der Linsenträger durch Laserbeschuß derart verformt, daß der richtige Arbeitsabstand der Linse relativ zum Laserchip eingestellt wird und somit auch die richtige Bildweite erzielt wird. Dabei können Toleranzen in den Brennweiten der Linsen ausgeglichen werden.

Das Lasermodul enthält erfindungsgemäß einen Linsenträger der einen bestimmten Bereich zwischen seiner Fixierung relativ zum Laserchip einerseits und andererseits zur Ankoppeloptik aufweist, an dem durch Laserbeschuß bestimmte Verformungen erzielbar sind, so daß die Ankoppeloptik relativ zum Laser chip in ihrer Position veränderbar und somit justierbar ist.

Das Verfahren zur Justierung der Ankoppeloptik innerhalb des Lasermoduls wird mit Lasereinsatz betrieben, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Der Einsatz eines Lasers zur Behandlung des Linsenträgers bietet gegenüber anderen Energiestrahlen wesentliche Vorteile, da er in der Handhabung sehr variabel ist, einen ausreichenden Leistungsbereich aufweist und in der Wellenlänge dem Absorptionsverhalten des Materials angepaßt werden kann. Die Wärmebehandlung des Linsenträgers zur Ju stierung der Ankoppeloptik kann derart ablaufen, daß der Lin senträger an einer oder mehreren Stellen erwärmt wird und so mit der gewünschte Justiereffekt an der Ankoppeloptik ein tritt. Wird das Material des Linsenträgers oberflächlich punkt- oder linienweise aufgeschmolzen, so daß es zu einer Wiedererstarrung kommt, so sind in der Regel größere Auslen kungen an der Ankoppeloptik bzw. größere Deformationen am Linsenträger erzielbar.

Um einen sicheren Betrieb des Lasermoduls zu gewährleisten besteht der Linsenträger aus einem Material das einen mög lichst kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Hier sind insbesondere Eisen- Kobalt- Legierungen zu nennen. Um den Betrieb des Halbleiterlasers zu überwachen enthält ein Lasermodul in der Regel ein Monitorelement, das ebenfalls über einen Umlenkspiegel Licht vom Halbleiterlaser empfängt.

Um die Positionierung der Ankoppeloptik zu Automatisieren oder um diese mit hoher Genauigkeit auszuführen, kann der La serbeschuß auf den Linsenträger so gestaltet sein, daß mehre re Bereiche des Linsenträgers bearbeitet werden oder ein vor gegebenes Muster auf dem Linsenträger vom externen Laser ab gefahren und behandelt wird. Dieses Muster kann gerastert sein und kann punktförmige oder linienförmige oder flächige Laserbearbeitungsbereiche aufweisen.

Im folgenden werden anhand von begleitenden schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen mikrooptischen Aufbau eines Lasermoduls nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau eines Lasermo duls.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung eines Lasermoduls bei der der Laserstrahl parallel zur Basisfläche des Trägers aus dem Lasermodul austritt.

Fig. 4 zeigt eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemä ßen Lasermoduls mit einer Überwachung.

In Fig. 1 wird ein derzeit üblicher mikrooptischer Aufbau eines Lasermoduls gezeigt. Dieser wird beispielsweise in TO- Gehäusen (Transistor-Outline) eingesetzt. Der Aufbau besteht aus einem TO-Träger 12, einem Gehäuse 11 (TO-Cap), einem Trä ger 1, einem darauf befestigten Halbleiterlaser 2, einem Lin senspiegel 8, einer darauf aufgebauten Linse 4, und einem Mo nitorspiegel 10 mit einem darauf aufgebauten Monitor 9. Der Strahlengang 5 der von dem Halbleiterlaser 2 über den Linsen spiegel 8 durch die Linse 4 geleitet wird, tritt im oberen Bereich des Gehäuses 11 durch ein entsprechendes Fenster aus. Charakteristisch für diesen Aufbau ist, daß auf den Träger 1 der Linsenspiegel 8 und der Monitorspiegel 10 und der Halb leiterlaser 2 montiert sind und die Ankoppeloptik, d. h. die Linse 4 mit dem Linsenspiegel 8 verbunden ist. Zur Feinju stierung der Linse 4 relativ zum Strahlengang 5 bzw. zur Ein stellung des Arbeitsabstandes a, der in Fig. 2 dargestellt wird, ist zur Erreichung einer hohen Positionsgenauigkeit je dem individuellen Halbleiterlaser 2 eine Linse 4 mit passen der Brennweite zuzuordnen. Diese Linse muß zunächst montiert und dann justiert werden. Der Einsatz von verschiedenartigen Linsen und die relativ eingeschränkten Möglichkeiten für eine Justierung durch den charakteristischen Aufbau dieses Laser moduls sind mit wesentlichen Nachteilen verbunden.

In Fig. 2 wird eine erfindungsgemäße Variante gezeigt. Zur Einstellung des Arbeitsabstandes a (a = a1 + a2) muß die Lin se 4, die mit dem Linsenträger 3 verbunden ist, mit einer Präzision von ca. 1 bis 2 µm justiert werden. Der Aufbau nach Fig. 2 beinhaltet wie üblich den Träger 1, auf dem der Halb leiterlaser 2 und ein verspiegeltes Prisma 6 befestigt sind. Nach der Befestigung der Linse 4 am Linsenträger 3 wird die ses Bauelement relativ zum Halbleiterlaser 2 bzw. zum Strah lengang 5 grob justiert und der Linsenträger 3 wird am Träger 1 befestigt. Die Feinjustierung der Ankoppeloptik bzw. der Linse 4, geschieht durch Laserbeschuß auf den Linsenträger 3, so daß dieser sich verformt und die Linse 4 derart in ihrer Position verändert, daß sie relativ zum Strahlengang 5 fein justiert wird. Der Arbeitsabstand a setzt sich aus der Summe der Abstände a1 und a2 zusammen. Die Verwendung von verspie gelten Prismen ist in diesem Aufbau zweckmäßig.

Die Fig. 3 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der der Laserstrahl an einem zweiten Spiegel umgelenkt wird, so daß er das Modul wieder parallel zur Basisfläche des Trägers 1 (Lasersubmount) verläßt. Diese Ausführung ist beispielsweise beim Aufbau von Lasermodulen in Butterflygehäusen vorteil haft. Der Aufbau entspricht dem der Fig. 2 und weist jedoch ein weiteres verspiegeltes Prisma 7 auf, welches mit dem Lin senträger 3 in Verbindung stehen kann.

Die Fig. 4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfin dungsgemäßen Lasermoduls. Dabei sind auf dem Träger 1 neben dem Halbleiterlaser 2 Prismenstreifen in Form von verspiegel ten Prismen aufgebaut. Das verspiegelte Prisma 6 dient dazu den Strahlengang in Richtung Ankoppeloptik bzw. Linse 4 umzu lenken. Der Monitorspiegel 10 ist ebenfalls ein verspiegeltes Prisma und leitet den Strahlengang des vom Halbleiterlaser (2) emittierten Lichtes auf den Monitor 9. Der Linsenträger 3 wird zumindest einseitig mit dem Träger 1 verbunden, nachdem die Linse 4 grobjustiert worden ist. Zur Feinjustierung der Linse 4 relativ zum in dieser Figur nicht dargestellten Strahlengang 5 wird der Linsenträger 3 mittels Laserbeschuß derart verformt, daß eine Feinjustierung im Bereich von 1 bis 2 µm erzielbar ist. Der mit Doppelpfeil gekennzeichnete Ein stellbereich 13 deutet in diesem Fall eine Verstellung paral lel zum Strahlengang 5 an.

Durch entsprechende Ausgestaltung des Linsenträgers 3 kann die Linse 4 durch das erfindungsgemäße Verfahren dreidimen sional in ihrer Position eingestellt werden. Der Laserbeschuß kann gezielt an vorgegebenen Stellen bzw. Bereichen des Lin senträgers 3 stattfinden, so daß die relativ zum Strahlengang 5 grobjustierte Linse 4 zunächst ihren Arbeitsabstand a wahl weise vergrößert oder verkleinert. Um eine hohe Temperatur- und Langzeitstabilität zu gewährleisten, sollten beim Aufbau möglichst Materialien mit gut angepaßten thermischen Ausdeh nungskoeffizienten eingesetzt werden. Beispielsweise könnte für Linsen aus Glas oder aus Silizium der Linsenträger aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung (Kovar) bestehen. Un ter dem Namen Kovar werden FeNiCo-Legierungen von der Firma Carpenter Technology Corp.; in Reading PA-USA geliefert.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Linse 4 auf einem verformbaren Träger 3 montiert wird, der durch lokales Erhit zen mit einem Laserstrahl dauerhaft gezielt verformt wird. Dadurch entfällt das Vorhalten von Linsen mit unterschiedli chen Brennweiten, das individuelle Vermessen jeder einzelnen Laserposition sowie das Selektieren einer passenden Linse. Der erfinderische Schritt liegt indem Aufbau der Linse auf einem speziell geformten Linsenträger 3 der eine gezielte dauerhafte Verformung durch Laserbeschuß ermöglicht, so daß der Arbeitsabstand a der Linse 4 im Mikrometerbereich ju stiert werden kann.

Der Linsenträger 3 besteht zweckmäßigerweise aus einem Blech und weist somit eine geringe Materialstärke auf.

Der Linsenträger 3 kann auch an mehr als an einer Seite des Trägers 1 befestigt sein.

Bezugszeichenliste

1 Träger
2 Halbleiterlaser
3 Linsenträger
4 Linse
5 Strahlengang
6, 7 verspiegeltes Prisma
8 Linsenspiegel
9 Monitor
10 Monitorspiegel
11 Gehäuse
12 TO-Träger
13 Einstellbereich
a Arbeitsabstand
a1, a2 Abstand

Claims

1. Lasermodul mit Ankoppeloptik bestehend aus:

- einem Träger (1),
- einem auf dem Träger (1) befestigten Halbleiterlaser (2),
- einem auf dem Träger (1) befestigten Umlenkspiegel,
- einem metallischen blechförmigen Linsenträger (3), der mindestens einseitig mit dem Träger (1) verbunden ist, und
- einer am freien Ende des Linsenträgers (3) befestigten Linse (4),

wobei die Bestandteile des Lasermodules gegenseitig derart positioniert sind, daß der Strahlengang (5) des vom Halblei terlaser (2) emittierten Lichtes über den Umlenkspiegel durch die Linse (4) verläuft und durch gezielte Verformung des Linsenträgers (3) mittels lokaler Erwärmung mit einem externen Laserstrahl die Linse (4) relativ zum Strahlengang justierbar ist.

2. Lasermodul nach Anspruch 1, worin der metallische Linsenträger (3) aus einer Eisen- Nickel-Kobalt-Legierung besteht.

3. Lasermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Lasermodul zusätzlich ein Monitorelement (9) bein haltet.

4. Lasermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Umlenkspiegel durch verspiegelte Prismen (6, 7) darge stellt sind.

5. Verfahren zur Feinjustierung einer Ankoppeloptik in einem Lasermodul nach einem der Ansprüche 1-4, wobei

- der die Linse (4) enthaltende Linsenträger (3) relativ zum Strahlengang (5) grob justiert wird,
- der Linsenträger (3) an dem Träger (1) befestigt wird, und
- der Linsenträger (3) mittels Laserbeschuß derart verformt wird, daß die am freien Ende des Linsenträgers (3) befestigte Linse (4) auf eine Sollposition justiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin der Laserbeschuß in mehreren Bereichen des Linsenträ gers (3) stattfindet.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin ein vorgegebenes Muster auf dem Linsenträger (3) mit dem externen Laser bearbeitet wird, um die gezielte Verfor mung des Linsenträgers (3) zu erhalten.