DE10320152A1

DE10320152A1 - Optikfaserkoppler mit einer entspannten Ausrichtungstoleranz

Info

Publication number: DE10320152A1
Application number: DE10320152A
Authority: DE
Inventors: Christopher L. Santa Clara Colemann
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Broadcom International Pte Ltd
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: JP2004070339A; US7308170B2; DE10320152B4; GB2392993A; US20040022488A1; GB2392993B; GB0317738D0; US20050259918A1; US6956992B2

Abstract

Ein optischer Koppler wandelt eine Lichtverteilung von einer Lichtquelle in eine Kleinwinkelverteillung um, die sich über ein Volumen erstreckt, das größer ist als die Schwankungen bei der Ausrichtung einer optischen Faser. Bei einem Ausführungsbeispiel bildet eine Beugungs- oder Hybrid-Beugungs-/Brechungsbifokuslinse ein erstes und zweites Bild der Lichtquelle in einer ersten bzw. zweiten Bildebene. Eine Eingangsfläche der optischen Faser liegt zwischen der ersten und der zweiten Bildebene und empfängt Licht, das von der ersten Bildebene divergiert, und Licht, das zu der zweiten Bildebene konvergiert. Die optische Nettoleistungskopplung in die Faser ist einheitlich über einen großen Bereich von Faserpositionen und liefert dem optischen Koppler eine entspannte Toleranz für die Fehlausrichtung der Faser oder der Lichtquelle. Die entspannte Ausrichtungstoleranz ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von optischen Mehrkanalsendern unter Verwendung von optischen Einmodenfasern.

Description

Eine optische Einmodenfaser transportiert Licht bei kleinen Winkeln bezüglich der optischen Achse der Faser. Leider weisen Lichtquellen, wie z. B. Kantenemissionshalbleiterlaser, die optische Signale für die Übertragung auf optischen Fasern liefern, häufig Großwinkellichtstrukturen auf, wobei es schwierig ist, dieselben effizient in eine optische Einmodenfaser zu koppeln. Herkömmliche Lösungen zum Koppeln des Lichts von Kantenemissionshalbleiterlasern in optische Fasern umfassen direktes „Stoßkoppeln" und die Verwendung einer Linse zum Abbilden des Laserlichts auf die Eingangsfläche der Faser.

Stoßkoppeln umfaßt das Plazieren der Eingangsfläche einer optischen Faser an oder in der Nähe der Laserausgangsöffnung ohne eine zusätzliche dazwischenliegende Optik. Dieser Lösungsansatz erfaßt häufig nur einen kleinen Bruchteil (typischerweise weniger als 10 %) der Laserleistung. Stoßkoppeln ist auch intolerant gegenüber kleinen relativen Bewegungen oder Fehlausrichtungen zwischen dem Laser und der Faser. Für eine optische Einmodenfaser mit einem Kern, der etwa 9 μm im Durchmesser aufweist, kann eine relative Bewegung in der Größenordnung von 1 μm große Änderungen bei der Menge der gekoppelten Leistung bewirken.

Eine Linse zwischen einem Laser und einer optischen Faser kann das Laserlicht auf den Faserkern abbilden, um einen größeren Bruchteil der Laserleistung zu erfassen. Mit einer starken Vergrößerung kann die Linse das Großwinkellichtmuster von dem Laser in ein Kleinwinkelmuster umwandeln, das eine beinahe 100%ige Kopplung in die optische Faser aufweist. Ein Bilderzeugungssystem mit starker Vergrößerung ist jedoch sehr empfindlich gegenüber relativen Fehlaus richtungen von Laser, Linse und optischer Faser. Für eine fünffache Vergrößerung verschiebt beispielsweise eine laterale Laser-zu-Linse-Verschiebung oder eine Fehlausrichtung um einen Abstand Y das abgebildete Licht um 5Y, und eine axiale Laser-zu-Linse-Verschiebung oder Fehlausrichtung um einen Abstand Z verschiebt das abgebildete Licht von der Faser um einen Abstand von 25Z.

Die starken Fehlausrichtungsempfindlichkeiten von optischen Faserkopplern für optische Einmodenfasern haben das Ausrichten des Lasers, der Linse und der Faser auf Genauigkeiten von weniger als 1 μm entlang allen drei Achsen erfordert. Um ferner eine gleichmäßige und angemessene Leistungskopplung beizubehalten, muß die genaue Ausrichtung in einem optischen Faserkoppler beibehalten werden, auch trotz einer Erschütterung, die während dem Zusammenbau, dem Einbau oder der Verwendung des optischen Faserkopplers auftreten kann, und trotz einer thermischen Ausdehnung der Elemente und der Verpackung des optischen Faserkopplers. Das Erreichen und Beibehalten der notwendigen Ausrichtungsgenauigkeiten können zeitraubende und aufwendige Aufgaben sein. Für eine Herstellung in großen Mengen und mit geringen Kosten werden Kopplungsverfahren und Strukturen benötigt, die eine hohe und beständige Leistungskopplungseffizienz liefert, und gleichzeitig größere Ausrichtungsfehler toleriert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Koppeln von Licht in eine optische Faser mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 13 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Optikfaserkoppler ein optisches Element oder System, wie z. B. eine Bifokuslinse, die eine optische Leistung über ein Volumen verteilt, anstatt die optische Leistung in eine einzige Bildebene zu fokussieren. Die Leistungsverteilung weist eine Kleinwinkelverteilung auf und ist im Volumen beinahe einheitlich, was eine Bewegung oder Fehlausrichtung der optischen Faser ermöglicht, während nach wie vor eine beständige und geeignete Effizienz zum Koppeln von Laserleistung in die optische Faser beibehalten wird. Dies ermöglicht eine Herstellung von Einmodenfasersendern, ohne daß aufwendige Komponenten oder hochgenaue Ausrichtungsausrüstung erforderlich ist. Im Vergleich zu Stoßkopplungslösungen können die Verteilte-Leistung-Kopplungssysteme sowohl eine höhere Effizienz als auch eine größere Toleranz gegenüber Ausrichtungsfehlern liefern. Im Vergleich zu herkömmlichen optischen Kopplungssystemen, die Linsen verwenden, können die Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung Ausrichtungstoleranzen mit einer annehmbaren Reduzierung bei der Kopplungseffizienz im besten Fall stark verbessern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung, die eine Lichtquelle, eine optische Faser und ein optisches System umfaßt, das positioniert ist, um das Bild von der Lichtquelle abzubilden. Die Lichtquelle kann ein Kantenemissionshalbleiterlaser oder eine andere Vorrichtung sein, die eine Großwinkelemissionslichtverteilung liefert. Das optische System reduziert die Winkeldivergenz der Lichtverteilung, aber verteilt das Licht von der Lichtquelle über ein Volumen, anstatt das Licht auf eine einzige Bildebene zu fokussieren.

Ein Beispiel des optischen Systems umfaßt eine Beugungslinse und weist einen ersten Brennpunkt für einen ersten Abschnitt (z. B. eine Hälfte) von Licht von der Lichtquelle auf, und einen zweiten Brennpunkt für einen zweiten Abschnitt (z. 8. die andere Hälfte) des Lichts von der Lichtquelle. Die optische Faser weist eine Eingangsfläche zwischen zwei Bildebenen der Bifokuslinse auf. Die Leistungskopplungseffizienz ist unempfindlich gegenüber Fehlausrich tung, weil die Leistungsdichte in dem Volumen zwischen den beiden Bildebenen beinahe konstant ist. Außerdem reduziert das Bifokus- oder Multifokusoptiksystem die Winkelgröße der Lichtverteilung und liefert dadurch eine annehmbare Kopplungseffizienz, selbst für eine optische Einmodenfaser, die eine geringe numerische Apertur aufweist.

Die Vorrichtung kann eine entspannte Ausrichtungstoleranz für einen einzigen optischen Kanal oder für mehrere optische Kanäle liefern, die in die gleichen Strukturen integriert sind. Folglich liefert ein optischer Mehrkanalsender, dem die Freiheit einer getrennten Ausrichtung für jeden Kanal fehlt, selbst für die Kanäle eine hohe Kopplungseffizienz, die nicht ihre ideale Ausrichtung aufweisen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Koppeln von Licht in eine optische Faser. Das Verfahren umfaßt allgemein die Streuung des Lichts über ein Volumen, das in jeder Ausrichtung größer ist als die Ausrichtungsgenauigkeit der optischen Faser. Die Streuung des Lichts kann unter Verwendung eines Bifokusoptikelements durchgeführt werden, das eine beinahe einheitliche optische Bestrahlungsdichte durch jeden Querschnitt des Volumens liefert. Wenn eine Bifokuslinse verwendet wird, erstreckt sich das Volumen zwischen der ersten und der zweiten Bildebene der Bifokuslinse. Die Eingangsfläche der optischen Faser kann irgendwo innerhalb des Volumens plaziert werden und kann nach wie vor eine beständige und annehmbare Kopplungseffizienz liefern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen optischen Sender gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der ein Bifokusbeugungselement verwendet;
2 eine perspektivische Ansicht einer Beugungslinse;
3 eine perspektivische Ansicht einer Bifokusbeugungslinse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 die Beziehung zwischen der Kopplungseffizienz und der Position einer optischen Faser bei einem Ausführungsbeispiel des optischen Senders von 1;
5 die Beziehung zwischen der Kopplungseffizienz und der Position einer Lichtquelle bei einem Ausführungsbeispiel des optischen Senders von 1;
6 einen optischen Sender gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der ein Hybrid-Beugungs/Brechungselement verwendet; und
7 einen optischen Mehrkanalsender gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Verwendung gleicher Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche oder identische Elemente an.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein optischer Koppler ein optisches System auf, das Laserlicht in eine Kleinwinkelverteilung umwandelt, die einheitlich durch ein Volumen verteilt wird. Die Abmessungen des Volumens sind bezüglich der Größe der Eingangsfläche einer optischen Faser groß, und jedesmal, wenn sich die Eingangsfläche einer optischen Faser in dem Volumen befindet, ist die Menge der optischen Leistung, die in die optische Faser gekoppelt ist, etwa gleich. Das Volumen kann lateral vergrößert und ausgedehnt werden, um die Toleranz für laterale Bewegung oder Ausrichtungsfehler zu entspannen und/oder axial verlängert werden, um die Toleranz für axiale Bewe gung oder Ausrichtungsfehler zu entspannen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Volumen einen Zylinder mit einem runden Querschnitt, so daß sich die Eingangsfläche der optischen Faser irgendwo innerhalb des Zylinders bewegen kann, ohne die Kopplungseffizienz wesentlich zu ändern.
Eine Bifokuslinse kann das Licht von einem Laser in eine Verteilung umwandeln, die das gewünschte Bildvolumen aufweist. Eine Bifokuslinse fokussiert vorzugsweise eine Hälfte des einfallenden Lichts auf eine erste Bildebene und die andere Hälfte des einfallenden Lichts auf eine zweite Bildebene. Die Verwendung einer hohen Vergrößerung reduziert die Winkelverteilung des konvergierenden Lichts in den jeweiligen Bildebenen. Im allgemeinen konvergiert die Hälfte des Laserlichts vor der Eingangsfläche der Faser und die verbleibende Hälfte der Laserleistung konvergiert hinter der Eingangsfläche der Faser. Folglich dehnt sich zwischen den Bildebenen die Hälfte des Laserlichts von der vorderen Bildebene aus und wird daher dunkler, und die andere Hälfte des Laserlichts konvergiert zu der zweiten Bildebene und wird daher heller. Der Nettoeffekt ist eine einheitliche oder beständige Leistungskopplung in die optische Faser an allen Positionen in einem zylindrischen Volumen zwischen den Bildebenen. Die numerischen Aperturen der Strahlen und die Trennung der Brennpunkte der Fokuslinse steuern den Durchmesser, die Länge und die Leistungsdichte des zylindrischen Volumens.
1 ist ein Blockdiagramm eines optischen Kopplers 100 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der optische Koppler 100 umfaßt eine Lichtquelle 110, ein Linsenelement 120 und eine optische Faser 130. Der optische Koppler 100 umfaßt auch das Befestigen oder Verpacken von Strukturen (nicht gezeigt), wie sie für herkömmliche optische Sender verwendet werden. Die Befestigung hält die Lichtquelle 110, das Linsenelement 120 und die optische Faser 130 in den richtigen Ausrichtungen und Positionen, wie sie nachfolgend näher beschrieben werden.
Beispiele einiger bekannter Befestigungs- oder Verpackungsstrukturen, die für einen optischen Koppler geeignet sind, sind offenbart in dem U.S.-Patent Nr. 6,112,002 mit dem Titel „Optical Coupler Optically Coupling a Light Beam of a Semiconductor Laser Source with a Single Mode Optical Waveguide or Fiber", dem U.S.-Patent Nr. 6,112,001 mit dem Titel „Optical Coupler and Method of Producing It" und dem U.S.-Patent Nr. 5,680,493 mit dem Titel „Optical Coupler". Die speziellen Strukturen, die der optische Koppler 100 zum Halten der Lichtquelle 110, des Linsenelements 120 und der optischen Faser 130 verwendet, sind für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, insbesondere weil Ausführungsbeispiele der Erfindung Ausrichtungstoleranzen entspannen und die Verwendung von Befestigungs- oder Verpackungssystemen ermöglichen, die eventuell nicht die Stabilität oder Präzision liefern, die für einige herkömmliche optische Koppler oder Sender erforderlich ist.
Die Lichtquelle 110 ist typischerweise eine Vorrichtung, wie z. B. ein Kantenemissionshalbleiterlaser, der eine relative Großwinkelverteilung für emittiertes Licht aufweisen kann, aber andere lichtemittierende Vorrichtungen, wie z. B. ein Vertikalhohlraumoberflächenemissionslaser (VCSEL; VCSEL = vertical cavity surface emitting laser) oder eine lichtemittierende Diode (LED), könnten ebenfalls verwendet werden. Alternativ kann die Lichtquelle 110 eine optische Faser oder einen Wellenleiter (nicht gezeigt) umfassen, der Licht von einem entfernten Laser oder einer anderen Lichtquelle liefert.
Das Linsenelement 120 in 1 ist eine Beugungsbifokuslinse. Herstellungstechniken und Strukturen für ein Beugungslinsenelement mit einem einzigen Brennpunkt sind gut bekannt und können auch für die Bifokusbeugungslinse 120 verwendet werden. Die Beugungslinse 120, wie sie in 1 dargestellt ist, weist eine Oberfläche auf, die konturiert und strukturiert ist, wie es erforderlich ist, um eine Bifokuslinse zu erzeugen. Beugungslinsen können alternativ auf gegenüberliegenden Oberflächen konturiert sein oder durch Bilden einer lichtundurchlässigen Struktur aufgebaut werden, die Aperturen aufweist, die wirken, einfallendes Licht auf die gewünschten Bildebenen zu beugen. Weitere Strukturen für Beugungslinsen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, räumliche Lichtmodulatoren mit einer elektrisch programmierbaren Struktur, ein Substrat, das dotiert ist, um eine abgestufte bzw. Gradienten-Indexstruktur aufzuweisen, oder eine Struktur mit einer Kombination aus beugenden und brechenden Merkmalen.
2 zeigt die Oberflächenkonturen einer herkömmlichen Beugungslinse 200 mit einer einzigen Brennweite f1 für monochromatisches Licht. Insbesondere weist die Beugungslinse 200 Stege 210 auf, mit Beabstandungen und Formen, die ausgewählt sind, so daß die Beugung von monochromatischem Licht, das parallel zu der Beugungslinse 200 einfällt, einen Bruchteil des einfallenden Lichts bei der Brennweite f1 der Beugungslinse 200 fokussiert. Die Höhen und Formen der Stege 210 können im allgemeinen eingestellt werden, um den Prozentsatz des einfallenden Lichts, das bei der Brennweite f1 fokussiert wird, und den Prozentsatz des Lichts, das durch die Beugungslinse 200 transmittiert wird, ohne fokussiert zu werden, auszuwählen.
3 stellt die Oberflächenkonturen einer Bifokusbeugungslinse 300 dar, die eine Oberfläche mit Stegen 310 aufweist, die zwei Brennweiten f1 und f2 aufweisen. Ein Entwurfsprozeß für eine Bifokusbeugungslinse 300 kann mit dem Bestimmen der ersten Phasenfunktion beginnen, die eine Oberflächenkontur für eine herkömmliche Beugungslinse 200 mit einer Brennweite f1 definiert. Jede herkömmliche Technik für den Entwurf einer Beugungslinse kann verwendet werden. Insbesondere kann handelsübliche Software, wie z. B. GLAD von Applied Optics Research Inc. oder DIFFRACT von MM Research Inc. die Phasenfunktionen von Beugungselementen analysieren. Eine zweite Phasenfunktion wird gleichartig dazu erzeugt, wobei die zweite Phasenfunktion derart ist, daß, falls die zweite Phasenfunktion mit der ersten Phasenfunktion zusammen multiplexiert wird, die Kombination eine Beugungslinse liefern würde, die die zweite Brennweite f2 aufweist. Die zweite Phasenfunktion wird dann skaliert, um eine teilweise effiziente Beugungslinse zu liefern, die einen Prozentsatz (z. B. 50 %) des einfallenden Lichts fokussiert, aber den Rest (z. B. 50 %) des einfallenden Lichts ungestört läßt. Die erste Phasenfunktion und die skalierte zweite Phasenfunktion werden zusammen multiplexiert, um einen endgültigen Bifokuslinsenentwurf zu bilden.
Herkömmliche photolithographische Ätztechniken können ein Substrat ätzen, um die gewünschten Oberflächenkonturen, die eine Bifokusbeugungslinse bilden, zu bilden oder zu nähern. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel des optischen Kopplers 100 von 1 erzeugt eine Lichtquelle 110 Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1.310 nm, und das Linsenelement 120 ist aus Silizium gebildet, das für 1.310-nm-Licht durchlässig ist. Verfahren zum genauen Ätzen von Siliziumsubstraten sind auf dem Gebiet der integrierten Schaltungsherstellung gut bekannt und können geneigte Konturen unter Verwendung von Stufenschrittpegeln nähern, falls dies notwendig ist.
4 stellt die Leistungsverteilung und die Kopplungseffizienz des optischen Kopplers 100 von 1 als eine Funktion eines Axialabstandes DF zwischen der optischen Faser 130 und der Biofokuslinse 120 dar. Bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist die Biofokuslinse 120 eine erste Brennweite fl von etwa 700 μm und eine zweite Brennweite f2 von 1.400 μm auf. Die Lichtquelle 110 ist bei einem Objektabstand D0 von etwa 200 μm bezüglich der Biofokuslinse 120. Diese Konfiguration erreicht eine durchschnittliche Vergrößerung von etwa 5x und eine entsprechende Verringerung bei der Winkelverteilung des Lichts an beiden Bildebenen.
Das Volumen 150 in 4 stellt einen Bereich von Positionen dar, an denen die Eingangsfläche der optischen Faser 130 plaziert werden kann, ohne eine unannehmbare Schwankung bei der Kopplungseffizienz zu bewirken. In dem Volumen 150 variiert die optische Leistungsverteilung 410 zwischen scharf fokussiert an den Positionen DIl und DI2 der Vorder- und Rückbildebene, zu breiter verteilt zwischen der Vorder- und Rückbildebene. Die Leistungsverteilungen 410 in 4 stellen Querschnittsbereiche dar, die eine optische Bestrahlungsdichte über einem Schwellenwertpegel enthalten, der zumindest die minimale gewünschte Leistungskopplung in die optische Fase 130 liefert. Die Beugungslinse 120 filtert oder entfernt vorteilhafterweise die elliptische Asymmetrie von der Lichtverteilung, so daß die Leistungsverteilungen 410 weniger elliptisch sind als die ursprüngliche Lichtverteilung von der Lichtquelle 110. Die Beugungslinse 120 reduziert somit Kopplungseffizienzvariationen weiter, die durch Lichtquellen bewirkt werden, wie z. B. Kantenemissionshalbleiterlaser, die dazu neigen, elliptische Lichtverteilungen zu erzeugen.
Die dargestellten Durchmesser der Verteilungen 410 entlang der optischen Achse zeigen die Tolleranzen für eine laterale (oder Außerachsen-)Fehlausrichtung oder Bewegung der optischen Faser 130 an. Die Fehlerbalken 422 in dem Diagramm 420 stellen ferner den Effekt dar, den eine laterale Verschiebung von ±5 μm auf die Kopplungseffizienz hat, wenn sich die optische Faser 130 an unterschiedlichen axialen Positionen befindet. Bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist die Lichtverteilung 410 eine langsam variierende Intensität über einen Durchmesser von zumindest 25 μm für axiale Positionen in einem Bereich 425 zwischen den Brennpunkten auf.
Das Diagramm 420 zeigt, daß die Kopplungseffizienz durch weniger als etwa zwei Dezibel schwankt, wenn sich die axiale Position der Eingangsfläche der optischen Faser 130 auf der optischen Achse und innerhalb des Bereichs befin det. Die nominale Kopplungseffizienz in dem Bereich 425 ist etwa 17 %, was eine Verbesserung gegenüber der weniger als 10 % Kopplungseffizienz ist, die unter Verwendung herkömmlicher Stoßkopplungstechniken erreicht werden konnte. Die Kopplungseffizienz des optischen Kopplers 100 in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist geringer als die beinahe 100 % Spitzenkopplungseffizienz, die theoretisch mit einer Linse erreichbar ist, die Licht scharf auf die Eingangsfläche einer optischen Faser fokussiert. Mit einem einzigen scharfen Fokus kann jedoch eine Fehlausrichtung oder Verschiebung der optischen Faser um 5 μm einen wesentlichen Abfall (z. B. -7 dB) bei der Kopplungseffizienz bewirken. Im Gegensatz dazu ist die Ausrichtungstoleranz für die optische Faser 130 bezüglich der Biofokuslinse 120 sehr viel höher als bei einem herkömmlichen optischen Koppler erlaubt wäre. Bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel verringert eine Fehlausrichtung oder Verschiebung der optischen Faser 130 um 5 μm die Kopplungseffizienz um nur etwa -0,7 dB.
5 zeigt, wie die Fehlausrichtung der Lichtquelle 110 die Kopplungseffizienz bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel des optischen Kopplers 100 von 1 ändert. In 1 zeigt ein Diagramm 510 die Abhängigkeit der Kopplungseffizienz von der axialen Fehlausrichtung der Lichtquelle 110 an, und Fehlerbalken 520 zeigen die Änderung bei der Kopplungseffizienz an, die laterale Fehlausrichtungen 5 μm der Faser 130 für jeweilige axiale Positionen der Lichtquelle 110 bewirken.
Eine Verschiebung oder Fehlausrichtung bei der Position der Lichtquelle 110 bewirkt im allgemeinen eine vergrößerte Verschiebung bei der Position des Volumens 150, abhängig von der Vergrößerung bei dem optischen Koppler 100. Für eine 5x Vergrößerung verschiebt eine laterale Verschiebung oder Fehlausrichtung der Lichtquelle 110 um einen Abstand Y bezüglich der optischen Achse das Volumen 150 lateral um einen Abstand von etwa 5Y, und eine axiale Verschiebung oder Fehlausrichtung der Lichtquelle 110 durch einen Abstand Z verschiebt das Volumen 150 axial um einen Abstand von etwa 25Z. Selbst mit dieser Vergrößerung ist die Länge des Volumens 150 derart, daß eine axiale Fehlausrichtung der Lichtquelle 110 um bis zu 5 μm die Kopplungseffizienz um weniger als etwa 0,7 dB ändert. Ein aktiver Ausrichtungsprozeß, der die optische Faser 130 mit der Position der Lichtquelle 110 lateral ausrichtet, kann den Effekt der lateralen Position der Lichtquelle 110 entfernen, so daß Schwankungen bei der Kopplungseffizienz aufgrund der lateralen Fehlsausrichtung durch die laterale Ausrichtungsgenauigkeit der optischen Faser 130 beschränkt sind. Folglich sind selbst mit einem aktiven lateralen Ausrichtungsprozeß, der nur auf ±5 μm genau ist, Schwankungen bei der Kopplungseffizienz geringer als etwa 0,7 dB.
Die entspannten Toleranzen für eine Fehlausrichtung ermöglichen die Herstellung des optischen Kopplers 100 unter Verwendung eines einfachen Hochvolumenprozesses. Insbesondere können die Lichtquelle 110, das Linsenelement 120 und das optische Element 130 unter Verwendung von Ausrichtungsmarkierungen oder anderen sichtbaren Zeichen für eine Steuerung der relativen Plazierung der Elemente 110, 120 und 130 mechanisch ausgerichtet werden. Nach der mechanischen Ausrichtung aktiviert ein aktiver Feinabstimmungsprozeß die Lichtquelle 110 und richtet die optische Faser 130 lateral aus, auf der Basis der beobachteten optischen Leistung, die auf der optischen Faser 130 übertragen wird. Die aktive Ausrichtung muß bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung nur innerhalb ±5 μm liegen, statt innerhalb ±1 μm, was für die Ausrichtung von herkömmlichen optischen Kopplern für optische Einmodenfasern erforderlich sein kann. Ferner kann sich die axiale Ausrichtung der optischen Faser 130 allein auf visuelle oder mechanische Ausrichtungstechniken verlassen, ohne daß ein zeitraubender aktiver Prozeß erforderlich ist, der die optische Bestrahlungsdichte mißt, die in die optische Faser gekoppelt wird, und dann die axiale Position der optischen Faser gemäß den Messungen einstellt.
Das in 1 gezeigte beispielhafte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet ein Beugungsbifokuselement 120 zum Erzeugen des gewünschten Volumens 150, das eine verengte Winkelverteilung, eine einheitliche Leistungskopplung in die optische Faser 130, und entspannte Toleranzen für eine Fehlausrichtung liefert. Andere optische Elemente können gleichartig dazu das Licht von einer Lichtquelle streuen und ähnliche Entspannungen der Fehlausrichtungstoleranzen liefern. Beispielsweise kann eine Brechungsbifokus- oder Multifokuslinse auch in der Lage sein, die optische Bestrahlungsdichte von der Lichtquelle 110 einheitlich zu streuen. Eine Brechungslinse könnte beispielsweise eine runde Linse umfassen, die durch mehrere ringförmige Linsen mit Brennweiten umgeben ist, die von einer ringförmigen Linse zu der nächsten variieren. Alternativ könnte eine Brechungslinse obere und untere halbe Linsen oder einen Satz von Tortenstücklinsenabschnitten umfassen. Eine Störung zwischen kohärentem Licht von unterschiedlichen Linsenabschnitten muß jedoch berücksichtigt werden, um Störungseffekte zu vermeiden, die unannehmbare Schwankungen (d. h. bestimmte Störungsmaxima oder -minima) in dem Volumen erzeugen, das die Toleranz für die Fehlausrichtung definiert. Außerdem muß darauf geachtet werden, daß die Kopplungseffizienz nicht von Schwankungen bei der Größe oder Form der Lichtstruktur von der Lichtquelle 110 abhängig ist. Beugungslinsen haben die wünschenswerte Eigenschaft der gleichmäßigen Streuung allen einfallenden Lichts statt unterschiedlichen Fokussen für unterschiedliche Linsenabschnitte oder Bereiche.
6 stellt einen optischen Koppler 600 dar, der ein Hybrid-Beugungs-/Brechungselement 620 aufweist. Das Hybrid-Beugungs-/Brechungselement 620 streut das Licht von der Lichtquelle 110 über das Volumen 150, um die Ausrichtungstoleranz für die optische Faser 130 auszudehnen, wie es oben beschrieben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Hybrid-Beugungs-/Brechungslinse 620 zumindest eine Oberfläche mit einer Krümmung 622 für eine Brennweite auf, z. B. f2. Ferner sind Beugungsmerkmale 624 einer teilweise effizienten Beugungslinse auf einer oder beiden Oberflächen der Hybrid-Beugungs-/Brechungslinse 620 überlagert, so daß die Kombination zwei Brennweiten f1 und f2 für getrennte Bruchteile des einfallenden Lichts liefert. In 6 sind die Beugungsmerkmale 624 auf der Krümmung 626, aber viele alternative Konfigurationen sind möglich. Beispielsweise könnten die Beugungs- und Brechungsoberflächen einander gegenüber liegen, oder ein Beugungselement und ein Brechungselement, die getrennte Elemente sind, können zusammen eine Hybrid-Beugungs-/Brechungsbifokuslinse bilden.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wie z. B. diejenigen, die bei dem optischen Einzelkanalkoppler 100 oder 600 dargestellt sind, sind auch von Vorteil für optische Mehrkanalsender und -koppler. 7 zeigt einen optischen Mehrkanalsender 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der optische Sender 700 umfaßt ein integriertes Array 710, das mehrere Kantenemissionshalbleiterlaser 715 auf einem monolithischen Chip umfaßt, einen optischen Chip 720, der mehrere Bifokusbeugungslinsen 725 umfaßt, und eine Faseranordnung 730, die mehrere optische Fasern 735 umfaßt. Halbleiterverarbeitungstechniken, die bei der Herstellung des integrierten Arrays 710 und des optischen Chips 720 verwendet werden, steuern die relativen Positionen oder den Abstand des Lasers 715 in dem integrierten Array 710 und der Bifokusbeugungslinsen 725 in dem optischen Chip 720 genau. Alternativ können die entspannten Ausrichtungstoleranzen einen Zusammenbau einzelner Chips (statt mehrere Komponenten auf einem monolithischen Chip zu haben) ermöglichen, um einen Mehrkanalsender zu bilden. Eine typische Struktur für eine Faseranordnung 730 befestigt optische Fasern 735 in V-Rillen, die in einem Substrat gebildet werden können, mit genau gesteuerten Abständen unter Ver wendung von photolithographischer Strukturierung und Ätzen oder Präzisionsbearbeitung.
Die Integration mehrerer Laser 715, Linsen 725 und optischer Fasern 735 in optischen Mehrkanalsendern 700 erhöht Fehlausrichtungen aufgrund der Ausrichtung der Komponenten 710, 720 und 730 und liefert höchstens eine durchschnittliche Ausrichtung für die Kanäle, und jeder Kanal umfaßt einen Laser 715, eine Beugungsbifokuslinse 725 und eine optische Faser 735, die eventuell nicht optimal ausgerichtet sind. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ermöglicht es die Bifokuslinse 720, die die Ausrichtungstoleranzen entspannt, jedem Kanal, eine beständige Leistungskopplung zu liefern, auch wenn die durchschnittliche Ausrichtung für einen oder mehrere der Kanäle nicht optimal sein kann.

Claims

Vorrichtung, die folgende Merkmale umfaßt: eine Lichtquelle (110); eine optische Faser (130) mit einer Fläche, die den Eintritt von Licht von der Lichtquelle in die optische Faser (130) erlaubt; und ein optisches System (120), das positioniert ist, um das Licht zu formen, wobei für ein Volumen (150), das die Fläche der optischen Faser (130) enthält, das optische System (120) das Licht gleichmäßig über das Volumen (150) streut.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das optische System (120) eine Multifokuslinse (200) umfaßt, die einen ersten Brennpunkt für einen ersten Abschnitt des Lichts von der Lichtquelle (110) und einen zweiten Brennpunkt für einen zweiten Abschnitt des Lichts von der Lichtquelle (110) umfaßt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Multifokuslinse eine Beugungslinse umfaßt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das optische System (120) eine Beugungslinse (300) umfaßt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das optische System (120) eine Hybrid-Beugungs/Brechungslinse (620) umfaßt.
Optische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Lichtquelle (110) einen Kantenemissionshalbleiterlaser umfaßt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die optische Faser (130) eine optische Einmodenfaser ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das optische System (120) einen ersten Abschnitt des Lichts von der Lichtquelle (110) in eine erste Ebene fokussiert und einen zweiten Abschnitt des Lichts von der Lichtquelle (110) in eine zweite Ebene fokussiert, und die Fläche der optischen Faser (130) zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene liegt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, die ferner folgende Merkmale umfaßt: eine zweite Lichtquelle (715); eine zweite optische Faser (735), die eine Fläche aufweist, die den Eintritt von Licht von der zweiten Lichtquelle (715) in die zweite optische Faser (735) erlaubt; und ein zweites optisches System (725), das positioniert ist, um das Licht von der zweiten Lichtquelle (715) zu formen, wobei das optische System (725) für ein zweites Volumen, das die Fläche der zweiten optischen Faser (735) enthält, das Licht gleichmäßig über das zweite Volumen ausbreitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Lichtquellen auf einem einzigen Chip integriert sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die optischen Systeme (120) ein Substrat umfassen, das eine erste Bifokuslinse und eine zweite Bifokuslinse aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die erste und die zweite Bifokuslinse Beugungslinsen umfassen.
Vorrichtung, die folgende Merkmale umfaßt: eine Lichtquelle (110); eine optische Faser (130), die eine Fläche aufweist, die den Eintritt von Licht von der Lichtquelle in die optische Faser (130) erlaubt; und ein optisches System (120), das positioniert ist, um das Licht zu formen, wobei das optische System (120) einen ersten Abschnitt des Lichts auf eine erste Ebene fokussiert, der vor der Fläche der optischen Faser (130) ist, und einen zweiten Abschnitt des Lichts auf eine zweite Ebene fokussiert, die hinter der Fläche der optischen Faser (130) liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der das optische System (120) eine Bifokuslinse umfaßt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der die Bifokuslinse eine Beugungslinse umfaßt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die optische Faser (130) eine optische Einmodenfaser ist.
Verfahren zum Koppeln von Licht in eine optische Faser, das folgende Schritte umfaßt: Streuen des Lichts über ein Volumen (150) mit Abmessungen, die größer sind als eine Ausrichtungsgenauigkeit für die optische Faser (130), wobei das gleichmäßige Streuen des Lichts eine optische Bestrahlungsdichte liefert, die für jeden Querschnitt des Volumens (150) gleichmäßig und beständig ist; und Plazieren einer Eingangsfläche der optischen Faser (130) innerhalb des Volumens.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Streuen des Lichts das Richten des Lichts durch eine Bifokuslinse (300, 620) umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem sich das Volumen zwischen einer ersten Bildebene der Bifokuslinse und einer zweiten Bildebene der Bifokuslinse erstreckt.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem die Bifokuslinse (300) eine Beugungslinse umfaßt.