DE19808445C2

DE19808445C2 - Halbleiterlasermodul mit einer optischen Faser

Info

Publication number: DE19808445C2
Application number: DE19808445A
Authority: DE
Inventors: Shouichi Kyoya
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2018-02-28
Also published as: DE19808445A1; JP3854359B2; US6012854A; JPH10246841A

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlasermodul zum Leiten von Laser strahlen, die von einem Halbleiterlaser emittiert werden, auf eine Stirn fläche des Kerns einer optischen Faser. Insbesondere betrifft die Ein dung eine Kopplungsstruktur eines Halbleiterlasers und einer optischen Faser innerhalb des Halbleiterlasermoduls, in der die Stirnfläche des Kerns der optischen Faser schräg angeschnitten ist, um zu verhindern, daß die Laserstrahlen zu dem Laser zurücklaufen.

Im allgemeinen besitzt ein solcher Typ von Halbleiterlasermoduln einen Aufbau, wie er in Fig. 1 gezeigt ist: Ein Halbleiterlaser 1 emittiert Laserstrahlen, und eine Kopplungslinse 3 konvergiert die emittierten Laserstrahlen so, daß die Laserstrahlen auf einer Stirnfläche eines Kerns 4 einer optischen Faser 3 auftreffen. Die Stirnfläche des Kerns 4 ist schräg geschnitten, um zu verhindern, daß von der Stirnfläche reflektier te Laserstrahlen zu dem Halbleiterlaser 1 zurücklaufen.

Diese Art Kopplungsstruktur ist zum Beispiel in der japanischen Patent- Veröffentlichung Hei 4-66324 (B2) dargestellt. Dementsprechend ist die Struktur so gestaltet, daß die Laserstrahlen, die die schräg unter einem Winkel ϕ gegenüber einer rechtwinklig auf der optischen Achse der Faser 3 geschnittenen Stirnfläche 5 des Kerns 4 fallen, parallel zur optischen Achse des Kerns 4 in die Faser eindringen. Um dies zu errei chen, sollte ein Winkel θ₂, den eine optische Achse 6 von aus der Kopplungslinse austretenden Strahlen und eine optische Achse 7 der optischen Faser 3 bilden, folgender Gleichung gemäß dem Gesetz von Snell genügen:

θ₂ = sin^-1(n₁ sin ϕ) - ϕ (1)

wobei n₁: Brechungsindex des Kerns 4.

Die Koppelstruktur gemäß obiger Druckschrift ist derart beschaffen, daß der Ausgangspunkt der Strahlen von dem Halbleiterlaser 1 um eine Strecke r1 gegenüber der optischen Achse der Kopplungslinse 2 versetzt ist. Wenn die Brennweite der Kopplungslinse 2 den Wert f hat, ist ge mäß obiger Gleichung (1) der Abstand r₁ gegeben durch

r₁ = f sin θ₂ (2)

Im allgemeinen jedoch erhöht eine Lageabweichung der optischen Achse einer Lichtquelle gegenüber der optischen Achse einer Linse die Aberra tion wirksam im Verhältnis zu der Abweichung r₁, wie aus Fig. 2 her vorgeht. Das oben angegebene Beispiel berücksichtigt lediglich das Snell'sche Gesetz gemäß den Gleichungen (1) und (2), berücksichtigt nicht hingegen diese Aberration. Deshalb ist das Beispiel grundsätzlich mit einem schlechteren Kopplungswirkungsgrad behaftet. Dies ist proble matisch. Darüber hinaus wird der Kopplungswirkungsgrad asymme trisch, abhängig von einem Paßfehler, das heißt davon, ob und wie weit der Halbleiterlaser 1 gegenüber der optischen Achse um den Abstand r₁ nach oben und/oder nach unten versetzt ist. Dadurch wird die Dispersion des Kopplungswirkungsgrads groß, was nachteilig ist.

Aus der DE 38 30 119 A1 ist ein Halbleiterlasermodul bekannt, das von einem Halbleiterlaser emittierte Laserstrahlen über eine Kopplungslinse der Brennweite f in eine optische Faser einleitet, deren Stirnfläche ge genüber der optischen Achse der Faser unter einem von 90° verschiede nen Winkel angeschnitten ist. Die Besonderheit dieses Halbleiterlaser moduls besteht darin, daß die - asphärische - Kopplungslinse direkt am Strahlenausgang des Halbleiterlasers angebracht ist. Hierdurch soll der Kopplungsgrad weitestgehend unabhängig von äußeren Einflüssen ge macht werden.

Aus der DE 40 09 380 A1 ist ein Halbleiterlasermodul mit einer Faser ankoppelvorrichtung bekannt, bei der der Laser, eine Ankoppeloptik und das Faserende in einer Hülse aufgenommen werden. Mit Hilfe von radial angeordneten Stellschrauben läßt sich die Laserdiode bezüglich der Faser-Stirnfläche justieren. Die optische Achse des Faserendes fällt mit der optischen Achse, d. i. die Winkelhalbierende des Abstrahlwinkels der Laserdiode, zusammen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterlasermodul zu schaffen, dem der Kopplungswirkungsgrad des Halbleiterlasers bezüglich der optischen Faser vergleichsweise groß und die Dispersion des Kopp lungswirkungsgrads aufgrund des Paßfehlers des Halbleiterlasers ver gleichsweise niedrig ist.

Um dies zu erreichen, wird unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Abweichung der optischen Achse eines Halbleiterlasers von derjeni gen einer Linse eine Aberration entsprechend dieser Abweichung erhöht, was den Kopplungswirkungsgrad beeinträchtigt. Dementsprechend ist ein Halbleiterlasermodul erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß der Halb leiterlaser in einem Abstand angeordnet ist, der kürzer ist als die Ab weichung, die sich durch das Snell'sche Gesetz ergibt. Konkret: Vor ausgesetzt, ein Winkel θ₂ zwischen einer optischen Achse der aus der Kopplungslinse austretenden Strahlen und einer optischen Achse der optischen Faser wird dargestellt durch

θ₂ = sin^-1(n₁ sin ϕ) - ϕ,

so wird der Ausgangspunkt der Strahlen von dem Halbleiterlaser um eine Distanz r₁ gegenüber der optischen Achse der optischen Faser ver setzt, wobei diese Distanz r₁ folgender Ungleichung genügt:

0,6f sin θ₂ < r₁ < f sin θ₂.

Der Aufbau ist derart beschaffen, daß der Kopplungswirkungsgrad des Halbleiterlasers bezüglich der optischen Faser gesteigert werden kann, darüber hinaus auch die Symmetrie des Kopplungswirkungsgrads verbes sert werden kann, selbst wenn es einen nach oben und/oder nach unten gerichteten Paßfehler des Halbleiterlasers gibt, was die Dispersion des Kopplungswirkungsgrads aufgrund eines Paßfehlers des Halbleiterlasers verringert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines Halbleiterlasermoduls, auf den sich eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Relation zwischen der Ab weichung der optischen Achse des Halbleiterlasers in Fig. 1 und der Aberration; und

Fig. 3 eine graphische Darstellung zum Veranschaulichen, wie sich der Kopplungswirkungsgrad in dem in Fig. 1 gezeigten Halbleiterlaser modul im Vergleich zu dem konventionellen Beispiel verschlechtert.

Wenn bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterlasermodul von dem Halb leiterlaser emittierte Laserstrahlen über eine eine Brennweite f aufwei sende Kopplungslinse in eine optische Faser geleitet werden, bei der die Stirnfläche des einen Brechungsindex n₁ aufweisenden Kerns unter einem Winkel ϕ schräg geschnitten ist, so ist der Ausgangspunkt der Strahlen von dem Halbleiterlaser um eine Distanz r₁ gegenüber der optischen Achse der optischen Faser versetzt, wobei diese Distanz oder Abwei chung n₁ folgender Ungleichung genügt:

0,6f sin θr₁ < f sin θ₂,

so daß die auf die Stirnfläche des Kerns auftreffenden Laserstrahlen in Richtung parallel zur optischen Achse des Kerns eindringen können. Der Winkel θ₂ ist hier der Winkel, den die optische Achse der aus der Kopplungslinse austretenden Strahlen mit der optischen Achse der opti schen Faser bildet, wobei θ₂ gemäß den Snell'schen Gesetz folgender Gleichung genügt:

θ₂ = sin^-1(n₁ sin ϕ) - ϕ

Im folgenden wird die Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Halbleiterlasermoduls. Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Relation zwischen dem Versatz der optischen Achse des Halbleiterlasers und der Aberration, und Fig. 3 ist eine Skizze zum Erläutern der Verschlechterung des Kopplungswirkungsgrads in dem Halbleiterlasermodul im Vergleich zu dem herkömmlichen Bei spiel.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist die Stirnfläche 5 des Kerns 4 der opti schen Faser 3 unter einem Winkel ϕ gegenüber einer senkrecht auf der optischen Achse 7 der Faser 3 stehenden Ebene schräg geschnitten. Der Halbleiterlaser 1 ist so angeordnet, daß er um eine Distanz r₁ gegenüber der optischen Achse 7 der optischen Faser 3 (und der Koppellinse 2) versetzt ist. Die von dem Laser 1 emittierten Laserstrahlen (LD- Strahlen) werden von der Kopplungslinse 2, die eine Brennweite f auf weist, gesammelt und fallen auf die Stirnfläche 5 des Kerns 4 der opti schen Faser 3.

Fig. 2 zeigt die Aberration (λ/RMS) in Abhängigkeit der Distanz r₁ (µm), wobei der Halbleiterlaser 1 Laserstrahlen emittiert, deren volle Breite bei dem halben Maximalwert des Divergenzwinkels 30 × 30 bei der Wellenlänge λ = 1310 (nm) auf die Linse 2 fällt, deren Ver größerung 5 beträgt, deren numerische Apertur (NA) beim Einfall 0,55 beträgt, und deren Brennweite f den Wert 1,37 mm hat. Gemäß Fig. 2 steigt die Aberration mit zunehmender Distanz r₁ im wesentlichen pro portional an. Die obigen Gleichungen (1) und (2) ergeben, wenn ϕ = 8 und n₁ = 1,465 ist, den Wert r₁ = 90 µm. In diesem Fall wird die Aberration etwa 0,07 (λ/RMS).

Die Kurve a in Fig. 3 zeigt die Wirkungsgradverschlechterung gegen über dem Abstand r₁ bei dem konventionellen Beispiel. Wenn dies kor rekt ist, wird die Wirkungsgradverschlechterung 0 (dB) bei r₁ = 90 µm, und die Wirkungsgradverschlechterung wird symmetrisch, wenn der Halbleiterlaser 1 aus seiner Lage nach oben und nach unten abweicht. In der Praxis jedoch nimmt die Aberration zu, wenn die Distanz r₁ zu nimmt, wie durch die Kurve b dargestellt ist. Wenn man also die Wir kungsgradverschlechterung aufgrund dieser Aberration auf die Kurve a addiert, wird der optimale Wert für die Distanz r₁ kleiner als 90 µm. Wenn r₁ etwa 72 µm beträgt, wird der Wirkungsgrad maximal. Die Kurve c in Fig. 3 zeigt den Meßwert für den Wirkungsgrad, und die Kurve a + b fällt nahezu mit dem Meßwert (Kurve c) zusammen.

Aus Fig. 3 ergibt sich mithin deutlich: Bei einem Aufbau, bei dem Laserstrahlen mit maximalem Kopplungswirkungsgrad auf die Stirnfläche 5 des Kerns 4 fallen, die unter einem Winkel ϕ gegenüber einer senk recht auf der optischen Achse der optischen Faser 3 stehenden Ebene schräg geschnitten ist, erfüllt unter der Voraussetzung, daß

θ₂ = sin^-1(n₁ sin ϕ) - ϕ, (1),

eine Struktur, bei der der Ausgangspunkt der Strahlen von dem Halblei terlaser 1 sich in einem Abstand r₁ von der optischen Achse der opti schen Faser 3 befindet, bezüglich des Abstands r₁ folgende Bedingung:

0,6f sin θ₂ < r₁ < f sin θ₂ (3).

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird gemäß dem konventionellen Beispiel dann, wenn die Lage des Halbleiterlasers 1 zu einem Punkt verlagert ist, der näher als r₁ = 90 µm beabstandet ist, der Kopplungswirkungsgrad besser aufgrund der Aberration; bewegt sich die Lage des Halbleiter lasers weiter weg, als es r₁ = 90 µm entspricht, wird der Kopplungwir kungsgrad asymmetrisch und extrem schlechter. Da hingegen bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Lage des Halbleiterlasers 1 in ±-Richtung gegenüber der Stellung bei einem Abstand von r₁ ≈ 72 µm abweicht, der Kopplungwirkungsgrad sich symmetrisch verschlech tert, läßt sich die Dispersion aufgrund eines Paßfehlers des Halbleiterlasers 1 auf ein Minimum reduzieren.

Claims

1. Halbleiterlasermodul, welches von einem Halbleiterlaser (1) emittierte Laserstrahlen über eine eine Brennweite f aufweisende Kopplungslinse (2) in eine optische Faser einleitet, bei der die Stirnfläche eines einen Brechungsindex n₁ aufweisenden Kerns (4) unter einem Winkel ϕ schräg geschnitten ist, wobei ein Ausgangspunkt von Strahlen des Halbleiter lasers (1) sich in einem Abstand r₁ von einer optischen Achse (7) der optischen Faser (3) befindet, so daß die auf die Stirnfläche (5) des Kerns (4) auftreffenden Laserstrahlen in der Richtung parallel zur optischen Achse (7) des Kerns eindringen, und wobei die Entfernung r₁ folgender Ungleichung genügt:
0,6f sin θ₂ < r₁ < f sin θ₂,
wobei θ₂ ein Winkel ist, der gebildet wird durch die optische Achse der aus der Koppellinse (2) austretenden Strahlen, und die optische Achse der optischen Faser (3), wobei θ₂ gemäß dem Snell'schen Gesetz folgen der Bedingung genügt:
θ₂ = sin^-1(n₁ sin ϕ) - ϕ.