NL8801443A - Opto-elektrische inrichting met een koppeling tussen een optische transmissievezel en een halfgeleiderlaserdiode. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Opto-elektrische inrichting met een koppeling tussen een optische transmissievezel en een halfgeleiderlaserdiode.

De uitvinding heeft betrekking op een opto-elektronische inrichting met een koppeling tussen een optische transmissievezel en een halfgeleiderlaserdiode, welke inrichting is voorzien van een houder voor de halfgeleiderlaserdiode en van een houder voor de optische transmissievezel, van welke vezel een einde naar de halfgeleiderlaserdiode is gericht.

Bij een dergelijke inrichting is het van essentieel belang, dat het uiteinde van de optische transmissievezel en de halfgeleiderlaserdiode zeer nauwkeurig ten opzichte van elkaar zijn uitgericht, om te bereiken dat een goed koppelrendement wordt verkregen.

Er zijn een aantal manieren bekend om de optische transmissievezel en de halfgeleiderlaserdiode te koppelen. Deze koppeling moet nauwkeurig zijn, niet afwijken door externe invloeden, constructief eenvoudig zijn en moet de mogelijkheid bieden een hermetische afsluiting te bewerkstelligen. De bekende inrichtingen voldoen niet aan deze combinatie van eisen.

De uitvinding berust op het inzicht dat het uitrichten van de transmissievezel ten opzichte van de halfgeleiderlaserdiode en het fixeren in de uitgerichte toestand een rechtstreekse invloed op elkaar uitoefenen en dat ook een eventueel hermetisch afdichten zijn inwerking kan hebben op de nauwkeurigheid.

Doel van de uitvinding is een opto-elektronsche inrichting van de, in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarbij het uitrichten van transmissievezel en laserdiode op nauwkeurige en eenvoudige wijze kan worden geschieden, waarbij het nadien fixeren de nauwkeurigheid van uitrichten niet nadelig beïnvloed, waarbij een constructief eenvoudige inrichting kan worden toegepast en waarbij, indien gewenst, een hermetische afdichting kan worden verkregen zonder dat de instelnauwkeurigheid verloopt. Om dit doel te bereiken is volgens de uitvinding tussen de houder voor de halfgeleiderlaserdiode en de houder voor de optische transmissievezel een tussenstuk aanwezig, waarbij het tussenstuk en een van beide houders in elkaar schuifbaar zijn aangebracht en een van deze delen een verdund ringvormig verbindingsstuk vertoont, waarbij na axiale instelling van het einde van de transmissievezel ten opzichte van de halfgeleiderlaserdiode het verdunde verbindingsstuk van het ene deel aan het oppervlak van het andere deel is bevestigd door middel van een aantal laserlassen, terwijl de naar elkaar gerichte einde van het tussenstuk en de andere houder een vlak oppervlak vertonen, dat dwars op de axiale instelrichting staat, welke oppervlakken tegen elkaar zijn gelegen, en één van deze oppervlakken een verdunde flens vertoont, waarbij na transversale instelling van het einde van de transmissievezel ten opzichte van het laserelement deze verdunde flens met een aantal laserlassen aan het andere oppervlak is bevestigd.

De uitvoering volgens de uitvinding met het tussenstuk tussen de twee houders is constructief eenvoudig. De onafhankelijke axiale en transversale instelling maken een zeer nauwkeurig justeren van het vezeleinde ten opzichte van de laserdiode mogelijk. Het fixeren, waarbij een verdund verbindingsstuk en een verdunde flens worden toegepast en de aanwending van laserlassen heeft een sterke bevestiging tot gevolg, die nauwelijks thermische en mechanische krachten uitoefent en zodoende de nauwkeurige instelling niet doet verlopen. Er wordt een koppeling verkregen met een optimaal koppelrendement tussen de laserdiode en de transmissievezel. De instelnauwkeurigheid is zo goed dat, behalve multimodevezels, ook monomode transmissievezels kunnen worden toegepast. De bevestiging is zodanig stabiel, dat na het aanbrengen van de laserlassen een hermetische afdichting van de delen kan worden gerealiseerd, die aan de instelnauwkeurigheid geen afbreuk doet.

De uitvinding is op verschillende manieren te realiseren, zoals blijkt uit enkele te beschrijven uitvoeringsvoorbeelden. Het is daarbij gunstig om het verdunde verbindingsstuk en de dunne flens een waarde voor de dikte te geven van minder dan 0,4 mm en bij voorkeur een waarde van de dikte van ongeveer 0,2 mm, terwijl de laserlassen symmetrisch worden aangebracht, bij voorkeur drie laserlassen die telkens onder een hoek van 120° op een cirkelomtrek zijn gelegen.

De uitvinding wordt aan de hand van een tweetal in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader toegelicht.

Figuur 1 geeft een langsdoorsnede weer van een eerste uitvoeringsvorm van de opto-elektronische inrichting,

Figuur 2 toont een dwarsdoorsnede volgens lijn II-II in figuur i,

Figuur 3 toont een tweede uitvoeringsvorm van een opto-elektronische inrichting volgens de uitvinding.

De uitvindingsgedachte waarbj drie ten opzichte van elkaar instelbare delen worden toegepast, namelijk een houder voor de halfgeleiderlaserdiode, een houder voor de optische transmissievezel en een tussenstuk, kan in verschillende uitvoeringsvormen worden gerealiseerd, waarvan er twee worden beschreven.

Bij alle uitvoeringsvormen wordt bevestiging van de verschillende delen door middel van laserlassen van een verdund verbindingsstuk en laserlassen van een dunne flens gerealiseerd.

Figuur 1 toont een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting voor het optisch koppelen van een halfgeleiderlaserdiode aan een optische transmissievezel. De transmissievezel kan een multimode vezel zijn, maar ook een monomode vezel kan met behulp van de inrichting volgens de uitvinding nauwkeurig worden gekoppeld.

De behuizing voor het laserelement bevat een metalen voet.

1 met een verhoogd gedeelte 2. Op gedeelte 2 bevindt zich een metalen pilaar 3. Het laserlement 4 is bijvoorbeeld op een drager 5 van silicium bevestigd, welke drager aan de pilaar 3 is bevestigd. Op het verhoogde gedeelte 2 is een verder dragerdeel 6 geplaatst, waarop een fotodiode 7 is bevestigd. Met fotodiode 7 wordt de uitgestraalde hoeveelheid licht van de laserdiode 4 gemeten, die naar de voet 1 is gericht. Met het daarbij in de fotodiode opgewekte signaal kan de intensiteit van de emissie van de laserdiode 4 worden geregeld.

Voor de elektrische verbindingen zijn een aantal pennen 8, 9, 10, 11 aanwezig. Pen 8 is een aardpen en is verbonden met de metalen voet 1. De pennen 9, 10 en 11 zijn isolerend door voet 1 gevoerd. Een aansluiting van de laserdiode 4 wordt gevormd door pen 8, de pilaar 3 en de drager 5. De ander elektrische aansluiting bestaat uit een verbindingsdraadje 12 van de laserdiode naar pen 9. De regeldiode 7 is via drager 6 verbonden met pen 11; drager 6 is daarbij op pen 11 bevestigd. De regeldiode 7 staat voorts met behulp van een draadje 13 met pen 10 in verbinding. Op de voet is een huisdeel in de vorm van een ringvormige mantel 14 aangebracht, waarvan de bovenzijde 20 uitsteekt boven de pilaar 3 en het laserelement 4. De starre verbinding van mantel 14 met voet 1 kan bijvoorbeeld bestaan uit een weerstandslasverbinding. De voet met de ringvormige mantel vormen in deze uitvoeringsvorm de houder voor de halfgeleiderlaserdiode.

Het tussenstuk bestaat in deze uitvoeringsvorm uit een bus 21, die met zijn onderzijde op het bovenvlak 20 van mantel 14 is geplaatst. De bus 21 heeft een cilindrische binnenwand 22 met een zodanige diameter, dat een buisvormige houder 16 voor een optische transmissievezel 15 er met zijn buitenwand 17 glijdend in past. In de getekende uitvoeringsvorm heeft de bus 21 aan een zijde een verdund ringvormig verbindingsstuk 23 en aan de andere zijde een dunne flens 24. Zowel het ringvormige verbindingsstuk als de flens hebben een dikte van minder dan 0,4 mm, bij voorkeur is de dikte ongeveer 0,2 mm.

Een met het laserelement 4 optisch te koppelen transmissievezel 15 is aan zijn te koppelen einde opgenomen in een buisvormige houder 16, die een cilindrische buitenwand 17 vertoont. Het einde 18 van de transmissievezel is ontdaan van zijn beschermmantel. Met. een uithardende lijn 19 is de kern van de vezel aan het de houder 16 bevestigd; zijn met een laserdiode te koppelen uiteinde steekt iets buiten de houder 16 uit.

De optische koppeling van de laserdiode 4 met de glasvezel 15 geschiedt via de bus 21 en de buisvormige houder 16. De houder 16 met het er aan verbonden einde 18 van de glasvezel wordt in de bus 21 geschoven en de dunne flens 24 van de bus wordt op het bovenvlak 20 van de ringvormige mantel 14 geplaatst, welke mantel een deel van de houder voor de laserdiode vormt. Met behulp van een niet weergegeven computerbesturing wordt het einde van kern 18 van de optische vezel nu gejusteerd ten opzichte van de in werking zijnde laserdiode 4. Daarbij is het kopse einde van de vezelkern 18 zowel in hoogte als in zijdelingse richting verplaatsbaar; de justering gaat voort tot de optimale optische koppeling is bereikt. Bij het instellen wordt de gewenste positie verkregen door verplaatsing de houder 16 in bus 21 en door zijdelings verschuiven van bus 21 op het bovenvlak 20 van mantel 14. In de positie van optimale koppeling wordt met behulp van enige laserlassen, bij voorkeur drie, de houder 16 ten opzichte van het verdunde einde 23 van bus 21 gefixeerd, en de vezel ten opzichte van de laserdiode in hoogterichting exact ingesteld.

De door de laserlassen ontwikkelde warmte is gering, maar kant toch nog enige zijdelingse verplaatsing van het einde 18 van de vezelkern veroorzaken. De instelling moet zeer nauwkeurig zijn, om een optimaal koppelrendement te verkrijgen. Daarom wordt na het fixeren van het buisstuk 16 aan bus 21 de justering van het vezeleinde ten opzichte van het laserelement, dwars op de lengterichting van de vezel herhaald, door verschuiven van bus 21 op oppervlak 20 van mantel 14. Met deze fijninstelling wordt de definitieve optimale koppeling bereikt. In deze positie wordt bus 21 ten opzichte van de mantel 14 gefixeerd door de dunne flens 24 aan het bovenvlak 20 te bevestigen met behulp van enige laserlassen. Deze lassen, bijvoorbeeld drie, liggen zo ver van de glasvezel verwijderd, dat verplaatsing van de vezelkern 18 tengevolge van enig warmte-effect niet optreedt.

Op de beschreven wijze is de transmissievezel bijzonder nauwkeurig ten opzichte van de laserdiode ingesteld. Het koppelrendement is daarbij maximaal.

Het is veelal gewenst om de omhulling hermetisch gesloten te hebben. De nauwkeurig ingestelde en gefixeerde koppeling moet daarbij natuurlijk niet verloren gaan. Om een zeer effectieve hermetische afsluiting te verkrijgen, wordt bij voorbeeld een laagsmeltend soldeer toegepast. Bijvoorbeeld een indium-tin soldeer met een smeltpunt van ongeveer 120°C wordt bij de spleet tussen het bovenvlak 20 van mantel 14 en flens 24 gebracht, welk soldeer door capillaire werking de spleet opvult. De temperatuur is daarbij laag genoeg, om verlopen van de ingestelde koppeling te voorkomen. Ook in de spleet tussen houder 16 en bus 21 kan dit soldeer worden toegepast om een hermetische afdichting te verkrijgen bij een temperatuur die laag genoeg is om de ingestelde koppeling te handhaven. De hermetisch afdichting kan ook op andere wijze worden verkregen, bijvoorbeeld door een laserlas rondom het einde van het verdunde verbindingsstuk 23 en rondom het einde van de dunne flens 24.

Om de inrichting in een stevige behuizing op te nemen en tevens een goede koeling te garanderen, kan een buitenhuis worden toegepast, bijvoorbeeld een buitenhuis 25 zoals in de tekening wordt getoond.

In figuur 3 is schematisch een bijzonder gunstige verder uitvoeringsvorm weergegeven. De drie onderling instelbare delen zijn bij deze uitvoeringsvorm een adeptor 30, een lenshouder 31 en een houder 32 van een laserinrichting 33. De transmissievezel is opgenomen in een niet weergegeven standaardconnector. Deze standaardconnector is met. de adeptor koppelbaar en ontkoppelbaar; bij deze uitvoeringsvorm behoeft de transmissievezel dus niet vast in de inrichting te zijn opgenomen. Als de connector met de adeptor is gekoppeld komt het uiteinde van de transmissievezel nauwkeurig tot tegen het vlak 34 in de adeptor 30.

De drie hoofddelen 30, 31 en 32 zijn uitgevoerd uit metaal, bij voorkeur uit een staalsoort. De adeptor 30 dient, zoals vermeld, voor het opnemen van een standaardconnector met een transmissievezel. De in deze uitvoeringsvorm als tussenstuk uitgevoerde lenshouder 31 bevat een lens 35, bijvoorbeeld een op zichzelf bekend graded index lens. De lens kan met een druppeltje lijm'in de houder zijn vastgezet. De houder 32 is hol uitgevoerd. Aan een zijde is een voet 36 van de laser 33 in een opening 37 met een perspassing bevestigd en eventueel met een druppeltje lijm geborgd. De halfgeleiderlaserdiode bevindt zich in de omhulling 33; de naar de lens 35 gerichte zijde van omhulling 33 is voorzien van een doorzichtig venster. Bij deze uitvoering is een hermetisch gesloten omhulling voor de laserdiode toegepast, zodat aan verdere afdichting geen aandacht behoeft te worden besteed. De houder 32 is aan de van de omhulling 33 afgekeerde zijde voorzien van een verdund ringvormig verbindingsstuk 38, met een dikte van minder dan 0,4 mm, bij voorkeur een dikte van ongeveer 0,2 mm.

Het glijdend in de laserhouder 32 passende tussenstuk 31 is vóór de definitieve bevestiging axiaal verschuifbaar, zodat de lens 35 en ook het einde van de optische transmissievezel axiaal ten opzichte van de halfgeleiderlaserdiode kan worden ingesteld. De lenshouder 31 vertoont aan de, maar de adeptör 30 gerichte zijde een dikke flens 39. De adeptor is aan zijn tegen de lenshouder gelegen oppervlak voorzien van een dunne flens 40, die dunner is dan 0,4 mm en bij voorkeur ongeveer 0,2 mm dik is.

Ook bij deze uitvoeringsvorm geschiedt de eenmalige instelling van het einde van de optische transmissievezel ten opzichte van de halfgeleiderlaserdiode door onderlinge axiale en transversale beweging van de drie hoofddelen van de inrichting. Als de koppeling optimaal is, wordt het verdunde verbindingsstuk 38 met enkele laserlassen, bij voorkeur drie rond de omtrek regelmatige verdeelde, aan de lenshouder bevestigd, waarbij een definitieve axiale instelling is verkregen. De transversale instelling kan nu nog worden gecontroleerd en de flens 40 van de adeptor wordt dan met laserlassen, bij voorkeur drie, met de lenshouder verbonden, waarbij een blijvende instelling is gerealiseerd, die een optimaal koppeleffect garandeert.

De dunne flens en het verdunde verbindingsstuk maken het mogelijk laserlasverbindingen te verkrijgen waarbij slechts geringe energietoevoer behoeft te worden toegepast. Zowel thermisch als mechanisch zullen de verbindingen geen verstorend effect op de optimale instelling hebben, terwijl de sterkte zodanig is, dat verloop van de instelling ook na langere gebruiksduur niet optreedt.

De beschreven uitvoeringsvoorbeelden geven twee mogelijke toepassingen van de uitvindingsgedachte weer. Het zal duidelijk zijn, dat de uitvinding ook op andere wijze kan worden gerealiseerd.

Claims (4)

1. Opto-elektronische inrichting met een koppeling tussen een optische transmissievezel en een halfgeleiderlaserdiode, welke inrichting is voorzien van een houder voor de halfgeleiderlaserdiode en van een houder voor de optische transraissievezel, van welke vezel een einde naar de halfgeleiderlaserdiode is gericht, met het kenmerk, dat tussen de houder voor de laserdiode en de houder voor de optische transmissievezel een tussenstuk aanwezig is, waarbij het tussenstuk en een van beide houders in elkaar schuifbaar zijn aangebracht en een van deze delen een verdund ringvormig verbindingsstuk vertoont, waarbij na axiale instelling van het einde van de optische transmissievezel ten opzichte van de halfgeleiderlaserdiode het verdunde verbindingsstuk van het ene deel aan het oppervlak van het andere deel is bevestigd door middel van een aantal laserlassen, terwijl naar elkaar gerichte einden van het tussenstuk en de andere houder een vlak oppervlak vertonen dat dwars op de axiale instelrichting staat, welke oppervlakken tegen elkaar zijn gelegen, en één van deze oppervlakken een verdunde flens vertoont, waarbij na transversale instelling van het einde van de transmissievezel ten opzichte van het laserelement deze verdunde flens met een aantal lasërlassen aan het andere oppervlak is bevestigd.

2. Opto-elektrische inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de optische transmissievezel (15) nabij een van zijn uiteinden (18) in een buisvormige houder (16) is opgenomen, dat het tussenstuk bestaat uit een bus (21) met een cilindrische opening waarin de houder (16) glijdend past, waarbij de bus is voorzien van een, de houder (16) omgevend verdund ringvormig verbindingsstuk (23) dat met laserlassen aan de houder (16) is bevestigd en waarbij de bus (21) voorts is voorzien van een dunne flens (24) die op het bovenvlak van een ringvormige mantel (14) rust, welke mantel deel uitmaakt van de houder voor de halfgeleiderlaserdiode (4) welke dunne flens met laserlassen aan het bovenoppervlak van de cilindrische mantel is bevestigd.

3. Opto-elektronische inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inrichting een adeptor (30) voor een, een transmissievezel dragende connector bevat, voorts een tussenstuk dat is uitgevoerd als een houder (31) voor een lens (35) en verder een houder (32) voor een halfgeleiderlaserinrichting, waarbij de lenshouder 31 glijdend past in een boring van de laserhouder (32), welke laserhouder een verdund ringvormig verbindingsstuk vertoont, dat met een aantal laserlassen is bevestigd aan de lenshouder, terwijl de adeptor (30) bij een tegen de lenshouder (31) liggen oppervlak voorzien is van een dunne flens (40) die met een aantal laserlassen met de lenshouder is bevestigd.

4. Opto-elektronische inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het verdunde ringvormige verbindingsstuk en de dunne flens een dikte hebben kleiner dan 0,4 mm, bij voorkeur een dikte van ongeveer 0,2 mm.