DE3534017A1 - Verfahren zum ankoppeln einer laserdiode an einen monomode-lichtwellenleiter und eine anordnung aus einer laserdiode und einem daran angekoppelten lichtwellenleiter - Google Patents
Verfahren zum ankoppeln einer laserdiode an einen monomode-lichtwellenleiter und eine anordnung aus einer laserdiode und einem daran angekoppelten lichtwellenleiterInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum An
koppeln einer Laserdiode an einen Monomode-Lichtwellen
leiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und
eine Anordnung aus einer Laserdiode und einem daran an
gekoppelten Lichtwellenleiter.
Ein Verfahren der genannten Art ist hinsichtlich der ju
stierung wegen der kleinen Dimensionen des lichtführen
den Bereichs des Monomode-Lichtwellenleiters besonders
kritisch, zumal bei der Einjustierung des aus der Licht
austrittsfläche der Laserdiode austretenden Laserstrahls
und des Lichtwellenleiters vier Freiheitsgrade bestehen
und durch die Justierung festgelegt werden müssen, näm
lich zwei Koordinaten und zwei Winkel.
Bisher wurde die Justierung durch eine rein mechanisch
optische Feinjustierung vorgenommen, wobei die Koordi
naten durch relatives Querverschieben und die Winkel
durch relatives Verschwenken der Laserdiode und des
Lichtwellenleiters festgelegt wurden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches
Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei wel
chem nur auf eine Koordinate und nur einen Winkel ein
justiert werden muß und bei dem diese Justierung zudem
besonderes einfach vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß
- a) eine gewinngeführte Laserdiode verwendet wird, vor deren reflektierender Stirnfläche eine relativ dazu fixierte und zu einer laseraktiven Schicht der Diode parallele Auflagefläche für den Lichtwellenleiter in einem solchen Abstand von dieser Schicht angeordnet ist, daß eine Lichteintrittsfläche am einen Ende des auf der Auflagefläche flach aufliegenden Lichtwel lenleiters auf gleicher Höhe mit dem Austrittspunkt des Laserstrahls liegt, daß
- b) der Lichtwellenleiter auf der Auflagefläche fixiert wird, und daß dann
- c) der Laserstrahl durch ein an die Diode angelegtes äußeres Magnetfeld in der Ebene der laseraktiven Schicht verschoben und verschwenkt und dadurch auf den Lichtwellenleiter einjustiert wird.
Durch das Merkmal a) werden eine Koordinate und ein
Winkel für den zu montierenden Lichtwellenleiter richtig
vorgegeben. Es sind dies die richtige Höhe der Lichtein
trittsfläche des Lichtwellenleiters bezüglich des Aus
trittspunkts des Laserstrahls und die richtige Ausrich
tung des Lichtwellenleiters vertikal zur Ebene der laser
aktiven Schicht.
Die übrigen beiden Freiheitsgrade werden horizontal zur
laseraktiven Schicht festgelegt, wobei man sich mit
einer gröberen Justierung begnügt und die Tatsache
ausnützt, daß bei einer "gewinngeführten" ("gain guided",
siehe dazu z.B. Appl. Phys. Lett. 43 (9), 1.Nov. 1983,
S. 809-810) Laserdiode die aktive Zone in der laserakti
ven Schicht durch ein äußeres Magnetfeld verschoben wer
den kann, das sowohl Elektronen als auch Löcher bei ihrem
Weg zur aktiven Zone in der gleichen Richtung abgedrängt
werden. Es läßt sich damit durch ein homogenes Magnet
feld parallel zum Lichtstrahl der Austrittspunkt des
Laserstrahls in Längsrichtung der streifenförmigen
Lichtaustrittsfläche der Laserdiode verschieben. Die
Richtung des austretenden Laserstrahls ändert sich, wenn
sich die absolute Größe dieses Magnetfeldes innerhalb
der Laserdiode ändert.
Danach wird zunächst gemäß dem Merkmal b) der Lichtwel
lenleiter auf der Auflagefläche fixiert und dann die
gröbere Justierung gemäß dem Merkmal c) durchgeführt.
Vorzugsweise wird gemäß Anspruch 2 eine Laserdiode ver
wendet, bei der die reflektierende Stirnfläche durch
eine aus der Auflagefläche ragenden Stufe definiert ist.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Ver
fahren gemäß Anspruch 3 eine Laserdiode verwendet, die
selbst integraler Teil eines Halbleiterchips mit einer
die Stirnfläche der Diode definierenden verspiegelten
Stufe ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird nach An
spruch 4 das Magnetfeld einschließlich seines Gradien
ten durch zwei mechanisch relativ zueinander verschieb
bare Permanentmagnete nach der Fixierung des Lichtwel
lenleiters auf dem Halbleiterchip eingestellt.
Zur Kompensation von Dejustierungen, beispielsweise
durch thermische Verschiebungen während des Betriebes
kann gemäß Anspruch 5 das Magnetfeld mittels zumindest
einer Spule auf einem Magneten nachjustierbar sein.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 6 das Mag
netfeld mittels zumindest einer Spule nachjustiert wird,
die Teil einer durch die optische Ausgangsleistung aus
dem Lichtwellenleiter kontrollierten Regelschleife ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auch eine neu
artige Anordnung aus einer Laserdiode und einem daran
angekoppelten Lichtwellenleiter geschaffen, die im An
spruch 7 angegeben ist. Bevorzugte Ausgestaltungen
dieser Anordnung gehen aus den restlichen Unteransprü
chen hervor.
Die Erfindung wird anhand der Figur beispielhaft näher
erläutert.
Die Figur zeigt in schematischer, perspektivischer Dar
stellung eine Anordnung aus einer gewinngeführten
Laserdiode und einer daran angekoppelten Monomode-
Glasfaser auf einem Halbleiterchip, die zwei verschieb
bare Permanentmagnete aufweist, zwischen denen die
Laserdiode angeordnet ist.
Bei der dargestellten Anordnung ist die Laserdiode mit
10 bezeichnet und bildet einen integralen Teil eines
Halbleiterchips 1. Ihre mit 11 bezeichnete reflektieren
de Stirnfläche ist durch eine aus einer die Auflage
fläche bildenden Grundfläche 25 herausragenden verspie
gelten Stufe definiert, die durch Herausätzen der Diode
aus dem Halbleitersubstrat 15 erzeugt werden kann.
Bekanntermaßen wird in einer Laserdiode das Laserlicht
in einer laseraktiven Schicht erzeugt. Bei einer gewinn
geführten Laserdiode kann sich diese Schicht, die in der
Figur mit 12 bezeichnet ist, über den ganzen Bereich der
Laserdiode erstrecken. Das Laserlicht wird in einer
aktiven Zone dieser Schicht 12 erzeugt, die auf den Be
reich dieser Schicht begrenzt ist, der von Strom aus
reichender Dichte durchsetzt wird.
Bei der dargestellte Laserdiode ist die aktive Zone in
der laseraktiven Schicht 12 etwa auf den streifenförmi
gen Bereich unterhalb der streifenförmigen Elektrode 17
begrenzt, deren Gegenelektrode auf dem Substrat 15 mit
16 bezeichnet ist. Entsprechend tritt das Licht nicht
aus der ganzen zur Verfügung stehenden Lichtaustritts
fläche 13 der laseraktiven Schicht 12 aus, die in der
verspiegelten Stirnfläche 11 der Laserdiode 10 liegt,
sondern nur in einem Teilbereich dieser Lichtaustritts
fläche 13. Dieser Teilbereich ist in der Figur durch
einen schwarzen Fleck 14 angedeutet und soll zugleich
den in der Ebene der laseraktiven Schicht austretenden
Laserstrahl repräsentieren, der parallel zur Längsrich
tung 171 der länglich streifenförmigen Elektrode 17
ausgerichtet ist, an die an einer Kontaktstelle 173
ein Anschlußdrähtchen 172 angeschlossen ist.
Durch ein homogenes Magnetfeld H parallel zum Laser
strahl kann die streifenförmige aktive Zone in der
laseraktiven Schicht 12 parallel verschoben werden, so
daß sich der Fleck 14 und damit der in seinem Zentrum
liegende Austrittspunkt des Laserstrahls in Längsrich
tung der länglich streifenförmigen Lichtaustrittsfläche
13 verschiebt.
Durch ein inhomogenes Magnetfeld, bei dem sich der
Betrag des Feldvektors im Bereich der Laserdiode ändert,
läßt sich die Richtung des Laserstrahls horizontal zur
Ebene der laseraktiven Schicht 12 ändern.
Für die Ankopplung der Monomode-Glasfaser 20 an die
Laserdiode 10 wird darauf geachtet, daß der vertikale
Abstand d der Auflagefläche 25 von der laseraktiven
Schicht 12 dem Radius der Glasfaser 20 entspricht, und
daß diese Auflagefläche 25 parallel zur laseraktiven
Schicht 12 und damit zur Richtung des Laserstrahls ist.
Zur Ankopplung der Glasfaser 20 an die Laserdiode 10
wird die Faser 20 mit ihrer äußeren Mantelfläche auf die
Auflagefläche 25 so aufgelegt und fixiert, daß ein Ende
21 der Faser 20 an der verspiegelten Stirnfläche 11 der
Laserdiode anliegt und die Längsachse A der Faser eini
germaßen parallel zur Richtung des Laserstrahls ausge
richtet ist. Vertikal zur Ebene der laseraktiven Schicht
12 ist die fixierte Faser 20 bereits richtig ausgerich
tet und die durch ihren Kern 23 definierte Lichtein
trittsfläche am Ende 21 der Faser 20 liegt auf gleicher
Höhe mit der Lichtaustrittsfläche 13, so daß sich diese
Flächen gegenüberliegen.
Zur Justierung parallel zur Ebene der laseraktiven
Schicht 12 wird an die Laserdiode 10 ein äußeres Magnet
feld H angelegt, das einschließlich seines Gradienten
durch zwei mechanisch verschiebbare Permanentmagnete 2
und 3 nach der Fixierung der Faser 20 auf dem Halbleiter
chip 1 eingestellt wird. Der faserseitige Magnet 3 weist
eine Aussparung für die Faser 20 auf. Das Magnetfeld H
wird so eingestellt, daß der Laserstrahl auf die Licht
eintrittsfläche der Faser 20 und parallel zu deren Achse
A ausgerichtet ist, wobei man sich hier mit einer
gröberen Justierung begnügt.
Zur Kompensation von Dejustierung, beispielsweise durch
thermische Verschiebungen während des Betriebs kann das
Magnetfeld H mittels einer Spule 31 auf einem Magneten,
beispielsweise dem Magneten 3 nachjustiert werden, die
Teil einer durch die optische Ausgangsleistung am ande
ren Ende 24 der Faser 20 kontrollierten Regelschleife 4
ist. Beispielsweise wird dazu die Ausgangsleistung am
anderen Ende 24 mit einem Fotodetektor 41 gemessen und
der gemessene Wert als Istwert einem Regler 42 zuge
führt, der den Istwert mit einem Sollwert vergleicht
und danach das Magnetfeld H durch Regelung der Spannung
an bzw. des Stromes durch die Spule 31 nachjustiert.
Auch können auf beiden Magneten 2 und 3 Spulen zur Nach
justierung des Magnetfeldes vorgesehen sein, die Teil
einer durch die optische Ausgangsleistung kontrollierten
Regelschleife sind.
Claims (13)
1. Verfahren zum Ankoppeln einer Laserdiode (10) an einen
Monomode-Lichtwellenleiter (20), wobei der aus einer
Stirnfläche (11) der Laserdiode (10) austretende Laser
strahl (14) und ein Ende (21) des Lichtwellenleiters (20)
durch relatives Querverschieben und Verschwenken aufeinan
der Einjustiert werden, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- a) eine gewinngeführte Laserdiode (10) verwendet wird, vor deren reflektierender Stirnfläche (11) eine relativ dazu fixierte und zu einer laseraktiven Schicht (12) der Diode (10) parallele Auflagefläche (25) für den Lichtwellenleiter (20) in einem solchen Abstand (d) von dieser Schicht (12) angeordnet ist, daß eine Lichteintrittsfläche am Ende (21) des auf der Auflage fläche (25) flach aufliegenden Lichtwellenleiters (20) auf gleicher Höhe mit dem Austrittspunkt des Laser strahls liegt, daß
- b) der Lichtwellenleiter (20) auf der Auflagefläche (25) fixiert wird, und daß dann
- c) der Laserstrahl durch ein an die Diode (10) angelegtes äußeres Magnetfeld (H) in der Ebene der laseraktiven Schicht (12) verschoben und und verschwenkt und dadurch auf den Lichtwellenleiter (20) einjustiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Laserdiode (10)
verwendet wird, bei der die reflektierende Stirnfläche
(11) durch eine aus der Auflagefläche (25) ragenden Stufe
definiert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Diode (10) ver
wendet wird, die selbst integraler Teil eines Halb
leiterchips (1) mit einer die Stirnfläche (11) definie
renden verspiegelten Stufe (11) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Magnetfeld (H) einschließlich seines Gradienten durch
zwei mechanisch relativ zueinander verschiebbare Perma
nentmagnete (2, 3) nach der Fixierung des Lichtwellen
leiters (20) auf der Auflagefläche (25) eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Magnetfeld (H) mittels
wenigstens einer Spule (31) auf einem Magneten (3) nach
justierbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Magnetfeld (H) mittels
wenigstens einer Spule (31) nachjustiert wird, die Teil
einer durch die optische Ausgangsleistung aus dem Licht
wellenleiter (20) kontrollierten Regelschleife (4) ist.
7. Anordnung aus einer Laserdiode (10) und einem daran
angekoppelten Monomode-Lichtwellenleiter (20), wobei eine
Lichteintrittsfläche an einem Ende (21) des Lichtwellen
leiters (20) einen Austrittspunkt (bei 14) des aus einer
Stirnfläche (11) der Diode (10) austretenden Laserstrahls
gegenüberliegt, der etwa in Achsrichtung des Lichtwellen
leiters (20) ausgerichtet ist,
gekennzeichnet durch
eine gewinngeführte Laserdiode (10), vor deren reflektie
render Stirnfläche (11) eine relativ dazu fixierte und zu
einer laseraktiven Schicht (12) der Diode (10) parallele
Auflagefläche (25) für den Lichtwellenleiter (20) in
einem solchen Abstand (d) von dieser Schicht angeordnet
ist, daß die Lichteintrittsfläche am einen Ende (21) des
auf der Auflagefläche (25) flach aufliegend fixierten
Lichtwellenleiters (20) auf gleicher Höhe mit dem Aus
trittspunkt (bei 14) des Laserstrahls liegt, und durch
eine Einrichtung (2, 3) zur Erzeugung eines an die Diode
(10) angelegten äußeren Magnetfeldes (H) zum Verschieben
und Verschwenken des Laserstrahls in der Ebene der laser
aktiven Schicht (12).
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die reflektierende
Stirnfläche (11) durch eine aus der Auflagefläche (25)
ragenden Stufe definiert ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Laserdiode
(10) integraler Teil eines Halbleiterchips (1) mit einer
die Stirnfläche (11) der Diode (10) definierenden ver
spiegelten Stufe ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Ein
richtung (2, 3) zur Erzeugung des Magnetfeldes (H) zwei
mechanisch relativ zueinander verschiebbare Permanent
magnete (2, 3) aufweist, zwischen denen die Diode (10)
angeordnet ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einrichtung (2, 3) zur
Erzeugung des Magnetfeldes (H) wenigstens eine Spule (31)
auf einem Magneten (3) aufweist, mit welcher das Magnet
feld nachjustierbar ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeich
net durch wenigstens eine Spule (31) die Teil
einer durch die optische Ausgangsleistung aus dem Licht
wellenleiter (20) kontrollierten Regelschleife (4) ist.
13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß Spulen auf beiden
Magneten (2, 3) angeordnet sind, die Teil einer durch die
optische Ausgangsleistung aus den Lichtwellenleiter (20)
kontrollierten Regelschleife (4) sind.
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