DE3855733T2

DE3855733T2 - Lichtquellen

Info

Publication number: DE3855733T2
Application number: DE3855733T
Authority: DE
Inventors: Robert William Musk
Original assignee: Hewlett Packard Ltd
Current assignee: Hewlett Packard Ltd
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1988-11-28
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2008-11-29
Also published as: KR900070903A; GB8728342D0; CA1325827C; ATE147168T1; US4983009A; JP2507644B2; DE3855733D1; KR930000153B1; EP0319230B1; EP0319230A1; JPH02502585A; WO1989005467A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Lichtquellen und insbesondere jedoch nicht ausschließlich auf optische Sender.
Optische Sender besitzen eine wichtige Anwendung in optischen Kommunikationssystemen, die Glasfasern als Übertragungsmedium verwenden.
Eines der Haupthindernisse für die praktische Implementation von optischen Kommunikationssystemen ist die Schwierigkeit des Erreichens einer ausreichend genauen Ausrichtung in und der verschiedenen System- und Teilsystemkomponenten und das Aufrechterhalten dieser Ausrichtung für längere Zeitdauern, welche so lang wie die Lebensdauer der Komponenten sein können.
Die Schwierigkeit kommt von den kleinen Abmessungen der betroffenen Komponenten. Besonders in dem Fall, in dein eine Übertragung über einmodige Fasern betroffen ist, können selbst winzige Fehlausrichtungen in der Größenordnung eines Mikrometers oder kleiner merkbar erhöhte Übertragungsverluste bewirken.
Die aktive Region eines typischen Halbleiterlasers ist in der Größenordnung von 2 µm im Querschnitt. Der Kern einer einmodigen Faser weist einen Durchmesser von etwa 5 µm bis 10 µm auf. Bei einem herkömmlichen Lasersender muß die aktive Region mit dem Faserkern ausgerichtet sein. Aus praktischen Gründen ist es ferner oft notwendig, das Ende der Faser um einen kleinen Abstand, typischerweise um 20 bis 25 µm, für ein mit einer Linse versehenes Faserende von der benachbarten Laserseite zu beabstanden. Dies reduziert in der Praxis die benötigte Ausrichtungsgenauigkeit auf etwa 1 bis 2 µm, wenn übermäßige Kopplungsverluste zwischen dem Laser und der Faser vermieden werden sollen.
Eine weitere Ausrichtung wird üblicherweise zwischen der hinteren Seite des Lasers, d.h. der Laserseite, die der Seite gegenüber liegt, die zur Faser gerichtet ist, und einem Überwachungsphotodetektor benötigt. Die üblicherweise viel größere aktive Fläche des Photodetektors, typischerweise 250 µm oder mehr im Durchmesser, für ein langsames Überwachungsgerät verringert die benötigte Ausrichtungsgenauigkeit etwas. Das Licht muß jedoch auf die aktive Fläche von oberhalb (oder von unterhalb) der Hauptfläche des Bauelements einfallen. Dies wird üblicherweise erreicht, indem der Photodetektor derart angebracht wird, daß seine Hauptebene senkrecht zu der aktiven Region des Lasers ist. Dieser Lösungsansatz wird trotz den praktischen Schwierigkeiten des Handhabens eines Detektorbauelements in dieser Ausrichtung während des Zusammenbaus und des Findens eines befriedigenden Wegs zum Herstellen elektrischer Verbindungen mit dem Photodetektor verwendet. Probleme dieser Art beeinträchtigen Produktionskosten negativ und stellen insbesondere ein Hindernis für eine großvolumige Produktion dar.
Eine verbesserte Anordnung ist aus der US-A-4 297 653 (D.R. Scrifes u.a.) bekannt, bei der ein Spiegel in den Weg des Hauptausgangsstrahls des Lasers plaziert wird, welcher durch eine Linse fokussiert oder kollimiert ist, und zwar in einem Winkel, um den Strahl zu einer optischen Faser hin abzulenken. Der Spiegel ist auf einer Photodiode befestigt, wobei die Divergenz der Linse derart ist, daß der größte Teil der Ausgabe von der Linse auf den Spiegel fällt, während ein kleiner Teil der Ausgabe auf die freiliegende Fläche der Photodiode neben dem Spiegel fällt. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß keine Lichtausgabe von der hinteren Seite des Lasers notwendig ist, dieselbe führt jedoch einen bestimmten Verlustbetrag in den Hauptstrahl ein, da das divergierende Licht in der Fläche um den Spiegel herum erfaßt werden muß, statt daß ein größerer Spiegel verwendet wird, um das divergierende Licht in die Faser zu reflektieren und/oder zu fokussieren.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine optische Sendeanordnung mit einfacherer Struktur zu schaffen, welche sich ohne weiteres für eine großvolumige Produktion anbietet, und welche Licht verwendet, das normalerweise in der Kollimierungs- oder Fokussierungslinse verloren wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine optische Sendeanordnung geschaffen, die eine Lichtquelle, eine Linse zum Fokussieren eines Primärlichtstrahls von der Lichtquelle in eine optische Faser oder umgekehrt und einen optischen Überwachungsdetektor aufweist, der angeordnet ist, um eine Lichtausgabe von der Quelle indirekt über die Linse zu empfangen, wobei alle Komponenten auf einer gemeinsamen Trägerstruktur befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse direkt an dem Überwachungsdetektor befestigt ist, und daß das Licht, das auf den Überwachungsdetektor einfällt, nachdem es durch die Linse gelaufen ist, im wesentlichen aus Licht besteht, welches von der Transmission von der Lichtquelle zu der Faser oder umgekehrt durch Streuung und/oder Mehrfachreflexionen innerhalb der Linse verloren ist.
Häufig werden sowohl Reflexions- als auch Streumechanismen vorhanden sein.
Die Lichtquelle wird typischerweise ein Halbleiterlaserbauelement sein, obwohl die Lichtquelle in anderen Anwendungen ein nicht-laserndes Bauelement, wie z.B. eine Licht-emittierende Diode oder ein optischer Verstärker, sein kann.
Die Linse kann ein Element einer Verbundlinsenstruktur sein, wobei sie vorzugsweise direkt an dem Überwachungsdetektor angebracht ist. Die Linse ist vorzugsweise eine sphärische Linse.
Um den Betrag an Licht, der den Photodetektor erreicht, zu erhöhen, wird die Linse üblicherweise auf dem Detektor durch einen Klebstoff mit einem Brechungsindex, der größer als der von Luft ist, angebracht, wodurch der optische Kontaktquerschnitt zwischen der Linse und dem Photodetektor wirksam erweitert wird.
Die Trägerstruktur kann üblicherweise ein im allgemeinen planares Substrat sein, das vorzugsweise ein elektrisch isolierendes, thermisch leitfähiges Material ist. Jede oder mehrere der vorher erwähnten Komponenten können direkt an dem Substrat oder an Hilfsträgerstrukturen befestigt sein, welche wiederum an dem gemeinsamen Substrat befestigt oder auf demselben gebildet sind.
Der Laser oder die andere Lichtquelle ist üblicherweise mit seiner Licht-erzeugenden Region, im Falle eines Lasers oder einer LED seiner aktiven Region, von dem Träger oder dem Substrat weg angebracht, was einen Gegensatz zu vielen früheren Anordnungen darstellt, bei denen die bevorzugte Anordnung darin bestand, den Laser mit seiner aktiven Fläche nahe am Substrat anzubringen.
Der Photodetektor ist zweckmäßigerweise auf dem Substrat befestigt, derart, daß die Fläche, die den Eintritt des einfallenden Lichts in seinen aktiven Bereich schafft, in einer Ebene liegt, die zu der Befestigungsoberfläche des Substrats im wesentlichen parallel liegt.
Die Linse kann für Hochleistungsbauelemente antireflexionsbeschichtet sein, um Reflexionen in der optischen Quelle zu minimieren.
Im Falle eines optischen Verstärkers können Linsen auf jeweiligen Photodetektoren an dem Eingangsende und an dem Ausgangsende auf ähnliche Weise befestigt sein, um eine Einrichtung zum Überwachen und Steuern der Verstärker zu schaffen.
Das gemeinsame Substrat weist zweckmäßigerweise einen monolithischen Block aus elektrisch isolierendem, jedoch thermisch leitfähigem Material auf, wobei die thermische Leitfähigkeit zur Dissipation der Wärme, die in der Lichtquelle erzeugt wird, benötigt wird. Die Verwendung eines elektrisch isolierenden Materials erlaubt es, daß geeignete Leiterbahnen beispielsweise durch Metallabscheidung auf dem Substrat gebildet werden.
Die Trägerstruktur kann ferner Oberflächenbereiche für Ankerpunkte für eine zugeordnete Glasfaser, für Steuerschaltungen und dergleichen, schaffen.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und bezugnehmend auf die beigefügten zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer optischen Senderanordnung;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Anordnung von Fig. 1; und
Fig. 3 eine Seitenansicht einer optischen Verstärkeranordnung.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen weist eine optische Senderanordnung einen Laser 2, einen Photodetektor 4 und eine sphärische Linse 3 auf, die alle auf einem gemeinsamen abgestuften Substrat 1 angebracht sind. Das Substrat 1 besteht aus einem Material, welches ausgewählt ist, um eine thermische Abmessungsstabilität, eine gute Wärmeleitung und eine elektrische Isolation zu schaffen.
Der Laser 2 kann irgendeiner einer Vielzahl von geeigneten Halbleiterlaserstrukturen sein, wobei die detaillierte Struktur des Halbleiterbauelements für die Wirkungsweise und das Verständnis der vorliegenden Erfindung im wesentlichen unwichtig sind.
Die geeignete Position der aktiven Region des Laserbauelements ist schematisch durch die schmalen Streifen 21 gezeigt. Der Laser 2 kann an dem Substrat 1 durch Löten oder auf eine andere geeignete Art und Weise befestigt sein, welche eine Wärmeleitung von dem Laser zu dem Substrat und ebenfalls eine elektrische Kontinuität mit geeigneten Leiterbahnen (nicht gezeigt) auf der oberen Oberfläche des Substrats schafft. In den Fig. 1 und 2 ist der Laser derart gezeigt, daß seine aktive Region ganz oben liegt. Der Laser kann genauso derart angebracht sein, daß seine aktive Region in der Nähe des Substrats liegt.
Die optische Ausgabe des Lasers ist über eine Linse 3 in eine Glasfaser (nicht gezeigt) auf die nachfolgend beschriebene Art und Weise gekoppelt.
Wie es aus Fig. 2 besonders zu sehen ist, ist der Laser derart angebracht, daß seine aktive Region 21 von der oberen Oberfläche des Substrats 1 entfernt ist und sich parallel zu derselben erstreckt.
Der Photodetektor weist eine planare Photodiode 4 auf, wobei ihre Eingangsseite in einer Ebene parallel zur oberen Oberfläche des Substrats 1 ist. Statt des Aufweisens einer planaren Bauelementestruktur kann die Photodiode beispielsweise eine Mesastruktur aufweisen. Die Photodiode 4 ist an dem Substrat 1 auf ähnliche Art und Weise wie an dem Laser 2 befestigt, wobei die elektrische Verbindung über die untere Oberfläche des Körpers der Photodiode 4 über eine erste Leiterbahn und über einen Bonddraht von einer anderen Leiterbahn zu einer geeigneten Verbindungsfläche der Photodiode 4 hergestellt ist. Die Photodiode 4 dient dazu, die gesamte optische Ausgabe des Lasers 2 durch Empfangen und Erfassen eines Anteils der optischen Ausgabe des Lasers 2 zu überwachen, wobei ein Lichtanteil auf den aktiven Bereich der Photodiode 4 über innere Reflexionen und/oder über eine Streuung in der Linse 3 geleitet wird, wie es in Fig. 2 durch Pfeile 6b schematisch dargestellt ist.
Die Linse 3 ist eine sphärische Linse aus beispielsweise Saphir oder einem Glas mit hohem Brechungsindex, wobei der Brechungsindex größer als 1,7 ist. Für viele Anwendungen wird ein Brechungsindex in dem Bereich 1,9 bis 2,2 bevorzugt. Der praktisch optimale Wert für den Brechungsindex wird mit der speziellen Anwendung variieren, da derselbe beispielsweise einen Kompromiß zwischen Reflexionen von den Linsenoberflächen und der Lichtsammlungsfähigkeit der Linse darstellt. Die Abmessungen der Linse werden typischerweise 200 bis 500 µm sein, obwohl auch größere (bis zu etwa 2 mm) und kleinere (herunter bis zu 150 µm) Linsen verwendet werden können, wenn sie geeignet sind.
Die Linse 3 ist mittels eines Klebstoffs 5 auf der Oberseite des Photodetektors 4 befestigt. Der Klebstoff wird typischerweise ein leicht aushärtbarer Klebstoff sein, wobei sein Brechungsindex größer als der Brechungsindex der umgebenden Luft sein sollte, um es zu ermöglichen, daß nicht nur Licht intern von der Linsenbegrenzung reflektiert wird, sondem daß auch Licht innerhalb der Linse gestreut wird, das in die Photodiode 4 gekoppelt werden soll.
Der Anteil (6b) an optischer Leistung von dem Laser 2, welcher auf die Eingangsseite 41 der Photodiode 4 fällt, wo er in eine entsprechende elektrische Ausgangsspannung umgewandelt wird, ist Licht, was normalerweise für die Übertragung verloren sein würde.
Die vorliegende Anordnung erlaubt ohne weiteres ein Befestigen der Laserdiode 12 mit ihrer aktiven Region ganz oben oder ganz nahe am Substrat. Ein Befestigen der Laserdiode mit ihrer aktiven Region ganz oben weist jedoch mehrere bedeutsame Vorteile auf. Zuerst vermeidet dieselbe störende Interferenzeffekte, welche aus dem sehr schmalen virtuellen Brechungsschlitz auftreten können, der zwischen der aktiven Region 21 und der Oberfläche 41 gebildet ist, wenn sich die aktive Region 21 unmittelbar an die Oberfläche 41 anschließt. Zweitens benötigt ein Befestigen des Lasers mit seiner aktiven Region ganz nach unten eine viel genauere Ausrichtung zwischen der Vorderseite des Lasers und der entsprechenden Kante des Substrats. Wenn das Substrat über den Laser hinaus vorsteht, werden die vorher erwähnten Interferenzeffekte auftreten. Wenn der Laser über dem Substrat übersteht, wird eine Wärmeleitung von dem aktiven Bereich weg ungünstig beeinträchtigt, was zu einer reduzierten Bauelementelebensdauer oder zu einer kleineren Zuverlässigkeit oder zu beidem führt.
Wenn der Laser durch Löten an dem Substrat mit seiner aktiven Region 21 ganz nahe am Substrat befestigt ist, kann ferner das Bilden selbst einer kleinen Lötperle die Lichtausgabe des Lasers verdecken und wieder Störungsauswirkungen bewirken. Unter Verwendung des Lösungsansatzes der vorliegenden Erfindung ist es erlaubt, daß der Laser 2 mit seinem aktiven Bereich 21 ganz oben befestigt wird, wodurch nicht nur diese Probleme im wesentlichen vermieden sind, sondern auch eine Verwendung der Linse 3 die seitlichen Ausrichtungstoleranzen zwischen Laser und Faser weiter erleichtert. Die Beabstandung der Linse 3 von der vorderen Seite des Lasers beträgt typischerweise ein paar µm, und zwar abhängig von dem Typ der ausgewählten Linse (z.B. ob die Linse eine sphärische Linse oder eine Linse mit abgestuftem Index, usw.) ist.
Durch Verwendung einer sphärischen Linse können störende Reflexionen von einer gespaltenen Faserendseite minimiert werden, indem ein seitlicher und/oder winkliger Versatz zwischen der Faser und dem Laser 2 geschaffen werden.
Ein weiterer Vorteil des Verwendens der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Laser für eine Reflexion an seiner Rückseite von 100% entworfen werden kann, was in einer verbesserten Laserleistungsausgabe resultiert.
Wie es in Fig. 3 zu sehen ist, kann die Erfindung ebenfalls für ein optisches Verstärkungsgerät angewendet werden. Bezugnehmend nun auf Fig. 3 weist der dort gezeigte optische Verstärker 102 eine Laser-artige Halbleiterstruktur mit einer aktiven Region auf. Wie vorher ist eine Kenntnis des Betriebs des Geräts im wesentlichen für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung unwichtig. Kurz gesagt sind im Gegensatz zum Falle eines Lasers die Endseiten der Halbleiterstruktur nicht-reflektierend gemacht, indem beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung aufgebracht ist. Somit ist kein Resonanzhohlraum geformt, wodurch das Bauelement nicht in der Lage ist zu lasern, wobei es jedoch wie ein Wanderwellenverstärker für Licht, das auf denselben fällt, wirken kann.
Unerwünschte Reflexionen von den externen Linsen 3 und 103 können im wesentlichen vermieden werden, indem sichergestellt wird, daß die Achse der aktiven Region 121 die Linsenoberfläche nicht bei rechten Winkeln schneidet.
Wie im Fall der Linse in den Fig. 1 und 2, können die Photodioden 4 und 104 mit geeigneten elektronischen Schaltungen verbunden sein. Durch Bereitstellen von Photodioden an jedem Ende des Verstärkers, welche die Eingangs- bzw. Ausgangsleistung überwachen, können Verstärkerparameter, wie z.B. Gewinn, ohne weiteres gesteuert werden.

Claims

1. Eine optische Sendeanordnung mit einer Lichtquelle (2), mit einer Linse (3) zum Fokussieren eines primären Strahls (6, 106) aus Licht von der Lichtquelle (2) in eine Glasfaser oder umgekehrt, und mit einem optischen Überwachungsdetektor (4), der angeordnet ist, um eine Lichtausgabe von der Quelle (2) indirekt über die Linse (3) zu empfangen, wobei alle auf einer gemeinsamen Trägerstruktur (1) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (3) direkt an dem Überwachungsdetektor (4) befestigt ist, und daß Licht, das auf den Überwachungsdetektor (4) einfällt, nachdem es durch die Linse (3) gelaufen ist, im wesentlichen aus Licht besteht, welches von der Übertragung von der Lichtquelle (2) zu der Faser oder umgekehrt verloren ist, indem es innerhalb der Linse (3) gestreut und/oder mehrfach reflektiert wird.

2. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Linse (3) direkt an dem Überwachungsdetektor (4) durch einen Klebstoff befestigt ist, der sich über den optischen Kontaktquerschnitt zwischen der Linse und dem Überwachungsdetektor (4) erstreckt.

3. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Linse (3) ein Element aus einer Verbundlinsenstruktur ist.

4. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Linse (3) eine sphärische Linse ist.

5. Eine Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der die Linse (3) ein Material, wie z.B. Saphir oder ein Glas mit hohem Brechungsindex, mit einem Brechungsindex für das Glas von größer als 1,7 aufweist.

6. Eine Anordnung gemäß Anspruch 5, bei der die Linse (3) ein Material mit einem Brechungsindex in der Größenordnung von 1,9 bis 2,2 aufweist.

7. Eine Anordnung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei der der optische Überwachungsdetektor (4) auf dem Substrat (1) befestigt ist, derart, daß seine Seite, die einen Eintritt von einfallendem Licht auf seinem aktiven Bereich (41) erlaubt, mit der Befestigungsfläche des Substrats (1) im wesentlichen koplanar ist.

8. Eine Anordnung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtquelle einen Halbleiterlaser aufweist.

9. Eine Anordnung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Lichtquelle ein nicht-laserndes Bauelement aufweist.

10. Eine Anordnung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Linse (3) derart befestigt ist, daß die Achse der aktiven Region der Lichtquelle die Linsenoberfläche nicht rechtwinklig schneidet.