DE3112167A1

DE3112167A1 - "optische koppelanordnung"

Info

Publication number: DE3112167A1
Application number: DE19813112167
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. 6110 Dieburg Westermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-03-27
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1982-10-14

Description

Beschreibung
tX opi s che Koppelanordnung" Die Erfindung betrifft eine optische Koppelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Eoppelanord:lungen werden beispielsweise benötigt, um die von einer im wesentlichen rechteckförmige Austrittsfläche eines Halbleiterlasers ausgehende Strahlung (Licht) in einen Lichtwellenleiter bzw. eine Lichtleitfaser einzukoppeln, die z. B. einen kreisförmigen Querscbnitt besitzt. Werden als Halbleiterlaser sogenannte"gain - guided"Halbleiterlaser eingesetzt, so senden diese im allgemeinen eine mit Astigmatismus behaftete Strahlung aus. Soll ein derartiger astigmatischer Halbleiterlaser optisch an eine Lichtleitfaser angekoppelt werden, so ist die Verwendung einer Plan- konvexlinse bekannt, z. B. aus der europäischen Patentanmeldung 0 017 374 von P. Kirkby. Bei einer derartigen Koppelanordnung ist eine Plankonvexlinse mit ihrer planen Fläche im wesentlichen unmittelbar auf einem Ausgangsspiegel eines Halbleiterlasers angebracht.
Ein erster Nachteil einer derartigen Koppelanordnung besteht darin, daß bei gegebenem Astigmatismus des Halbleiterlasers und für jede Wölbung (Krümmungsradius) der Plankonvexlinse eine entsprechende Dicke der Plankonvexlinse eingehalten werden muß, wenn der Astigmatismus verringert werden soll. Eine derartige Anordnung ist lediglich für Experimentierzwecke geeignet, denn Halbleiterlaser mit streuendem Astigmatismus erfordern jeweils eine gesonderte Anpassung der Plankonvexlinse.
Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß die Plankonvexlinse im wesentlichen unmittelbar auf einem Aus gang sspiegel des Halbleiterlasers angebracht ist, denn bei möglicherweise nötigen Verschiebungen der Plankonvexlinse kann der Ausgangsspiegel derart beschädigt werden, daß der Resonator des Halbleiterlasers sogar vollständig zerstört wird. Derartige Verschiebungen sind z. 3 bei Justiervorgängen der Koppel anordnung erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, insbesondere für einen astigmatischen Halbleiterlaser, dessen ausgesandte Strahlung in der Ebene des Ausgangsspiegels einen beliebig geformten Querschnitt aufweist, eine optische fioppelanordnung anzugeben, die den optisch wirksamen Astigmatismus verringert, die einfach justierbar ist und die die Erzeugung einer Strahlung ermöglicht, die senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung einen weitgehendst beliebigen Querschnitt aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß insbesondere bei der Eintopplung einer von einem"gain -guided"Halbleiterlaser ausgesandten Strahlung in eine Lichtleitfaser, z. B. eine Monomode-Lichtleitfaser, eite erhebliche Verringerung der optischen Eopplungsverluste erreicht wird.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die Koppelanordnung leicht justierbar ist, ohne Beschädigung des Ausgangsspiegels des Halbleiterlasers. Es ist möglich, bei Halbleiterlasern die Streuungen des Astigmatismus wesentlich zu verringern, die z. B. infolge von Herstellungstoleranzen aufgetreten sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert.. Es zeigen: FIG. la bzw. FIG. Ib Querschnitte durch einen"gainguided"Halbleiterlaser zur Erläuterung des Auftretens des Astigmatismus FIG. 2 bzw. FIG. 3 erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele FIG. 1a zeigt einen schematischen Querschnitt, senkrecht zur laseraktiven Zone 11, durch einen Halbleiterlaser 1.
Die senkrecht zur laseraktiven Zone 11 austretende Strahlung 2 (Licht) hat einen ersten Focus 13, der auf einem Ausgangsspiegel 12 des Halbleiterlasers 1 liegt.
FIG. Ib zeigt einen schematischen Querschnitt, in der Ebene der laseraktiven Zone 11, durch einen-Halbleiterlaser 1.
Die parallel zur lase-raktiven Zone 11 austretende Strahlung 2 (Licht) hat einen zweiten Focus 14, der innerhalb der laseraktiven Zone 11 liegt und der von dem Ausgangsspiegel 12 einen Abstand hat, der auch astigmatische Versetzung a genannt wird.
Außerdem hat bei den sogenannten"gain - guided"Halblei terlasern der Querschnitt der ausgesandten Strahlung 2 im allgemeinen in einer Richtung parallel zur l-asera'Ktiven Zone 11 einen größeren Durchmesser als in einer Richtung senkrecht zur laseraktiven Zone 11 Soll nun die Strahlung 2 eines derartigen Halbleiterlasers 1 z. B. mittels einer sphärischen Linse in eine Lichtleitfaser eingekoppelt werden, so ergeben sich erhebliche optische Kopplungsverluste, denn unter den genannten Bedingungen kann entweder der erste Focus 13 oder der zweite Focus 14 genau auf den Eingang der Lichtleitfaser abgebildet werden. Abgesehen von der im allgemeinen fehlenden Anpassung des Querschnitts der Strahlung ergeben sich daher aufgrund des Astigmatismus erhebliche optische Verluste.
FIG. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, das es ermöglicht, zunächst den genannten Astigmatismus eines Halbleiterlasers 1 im wesentlichen unwirksam zu machen, so da3 dann z. B. mittels einer nicht dargestellten weiteren optischen Anordnung gleichzeitig eine genaue Abbildung der Foci 13 und 14 möglich ist. Dadurch werden Kopplungsverluste erheblich verringert. Das Prinzip der Erfindung beruht darauf, zunächst mittels eines konvexplanen optischen Systems 3, z. B einer Zylinderlinse, die Foci 13 bzw. 14, die sich an den Orten W1 bzw. W" be-finden, zu einer gemeinsamen Strahlungsquelle 21 zu vereinigen, die sich an einem Ort Wj W"? befindet, der in dem Raum liegt zwischen dem Ausgangsspiegel 12 des Halbleiterlasers 1 und dem Scheitel H des konvexplanen Systems 3. Ein konvexplanes optisches System unterscheidet sich von einem plUnkonvexcn optischen System lediglich durch die Richtung der einfallenden optischen Strahlung. Gemäß FIG. 2 fällt die von dem Halbleiterlaser 1 ausgesandte Strahlung 2 zunächst auf eine konvexe Fläche 31 des Systems 3 und dann auf dessen plane Fläche 32. Daher wird ein derartiges optisches System konvexplan genannt. Durch eine Veränderung des Abstandes c zwischen Halbleiterlaser 1 und dem System 3 ist es möglich, die astigmatische Versetzung a optisch unwirksam zu machen. Ein derartiger Justiervorgangermöglicht daastinmatiscne her eine Anpassung an streuende / Versetzungen a, die z. B. herstellungsbedingt sein können. Ist das System 3 als konvexplane Zylinderlinse ausgebildet, deren Längsachse gemäß FIG. 2 im wesentlichen parallel zur- laseraktiven Zone 11 verläuft, so berechnet sich der Radius r der Zylinderlinse gemäß der Formel r = a c (c + a)(n -wobei n den optischen Brechungsindex des Materials der Zylinderlinse bezeichnet für die Strahlung 2. Es ist daher möglich, z.B. den Radius r an einen vorgegebenen Abstand c anzupassen. Es ist vorteilhaft, z.B. für die Herstellung der Zylinderlinse, daß die Dicke d der Zylinderlinse, gemäß der genannten Formel, keinen Einfluß auf den Radius r hat. Bei beispielhaft vorgegebener astigmatischen Versetzung a ermöglicht die genannte Formel eine freie Wahl des Radius r sowie des Abstandes c. Diese Wahl ermöglicht,eineStraliliingsquolle2l mit einem im wesentlichen symmetrischen Querschnitt zu erzeugen, denn der Radius der Strahltaille, senkrecht zur laseraktiven Zone 11, der Strahlungsquelle 21 berechnet sich gemäß der- Formel w, = wJ (c + a)/c, wobei w, der senkrecht zur laseraktiven Zone 11 gemessene Radius der Taille der Strahlung 2 am Ausgangsspiegel 12 ist. Der Radius w; der Taille kann z.B. derart gewählt werden, daß gilt wl = w,'" wobei w,', den Radius der Taille parallel zur laseraktiven Zone 11 der Strahlungsquelle 21 bezeichnet. Eine derartige Strahlungsquelle wird als symmetrisch bezeichnet und ist besonders gut geeignet für weitere optische Abbildungen, z.B zur möglichst verlustlosen Einkopplung der Strahlung 2 in eine Lichtleitfaser mit kreissymmetrischem Querschnitt.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in FIG. 3 dargestellt. Die von einem astigmatischem Halbleiterlaser 1 ausgesandte Strahlung 2 durchläuft zunächst ein beschrie- benes konvexplanes optisches System 3,- das am Ort W eine Strahlungsquelle 21 erzeugt. Diese Strahlungsquelle 21 wird mittels eines optischen Koppelsystemes Ll, L2 auf den Eingang W" einer Lichtleitfaser 4, z. B. einer Modemode-Lichtleitfaser, abgebildet. Es ist zweckmäßig, das Koppelsystem L1, L2 zumindest als Zwei-Linoensystem auszubilden, denn dadurch ist es mlich, da Koppelsystem räumlich sehr kompakt und mechanisch unempfindlich aufzubauen. Eine in dem Koppelsystem L1 L2 enthaltene optische Linse L1 oder Linsengruppe L1 hat beispielsweise eine derartige Brennweite und numerische Apertur, daß die Strahlungsquelle 21 im wesentlichen verlustlos in einem unendlich fernen Punkt abgebildet wird, es entsteht also eine parallele Strahlung.
Diese Strahlung wird mittels der optischen Linse h oder Linsengruppe L2 in die Lichtleitfaser 4 eingekoppelt unter Berücksichtigung von deren numerischer Apertur. Es ist weiterhin zweckmäßig, mindestens eine optisch wirksame Fläche 31 zu entspiegeln für die verwendete Strahlung 2. Das beschriebene Koppelsystem L1, L2 bezieht sich -auf eine Lichtleitfaser 4 mit symmetrischem Querschnitt Erfindungsgemäß ist es möglich, Lichtleitfasern und/oder Lichtwellenleiter mit beliebigem Querschnitt zu verwenden. In einem derartigen Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, ein Koppelsystem zu wählen, das eine entsprechende anamorphotische Abbildung ermöglicht.
Es ist weiterhin zweckmäßig, den Halbleiterlaser 1, das System 3, das Koppelsystem Li L2 und die Lichtleitfaser 4 (Länge z. B. 1 m) oder eine Anzahl dieser Teile zu einem optischen Bauelement zusammenzufassen. Ein derartiges Bauelement kann z.B. von einem Hersteller möglichst optisch verlustfrei justiert und in einem Gehäuse untergebracht werden. Ein Anschluß des Bauelements z B, an eine lange Lichtleitfaser (z.B. mehrere lOOm) erfolgt dann mittels Steck- und/oder Spleißverbindungen.
Die Erfindung ist nicht nur auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ebensogut auf andere astigmatische Strahlungsquellen anwendbar, deren Astigmatisnus verringert werden soll.
Außerdem ist die Erfindung in vorteilhafter Weise in optisch arbeitenden Anordnungen einsetzbar, die sehr genaue optische Abbildungen benötigen, z.B. beim Richtfunk mit astigmatischen Strahlungsquellen (Halbleiterlaser) und/ oder bei der optischen Datenaufzeichnung, Beim Richtfunk wird im allgemeinen ein Strahlverlauf mit geringer Aufweitung des Strahlquerschnittes benötigt Ein derartiger Strahl setzt aber eine möglichst astigmatismusfreie Strahlungsquelle voraus, Bei der optischen Datenaufzeichnung ist eine möglichst kleine Abbildung einer Strahlungsquelle erwünscht. Eine derartige Abbildung setzt ebenfalls eine möglichst astigmatismusfreie Strahlungsquelle voraus.

Claims

Patentansprüche t Optische Koppelanordnung, die mindestens ein anamorphotisch abbildendes Element enthält, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere eine von mindestens einem astigmatischen Halbleiterlaser (1) ausgesandte Strahlung (2) zunächst mindestens ein im wesentlichen konvexplanes optisches System (3) durchläuft.
2, Optische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (3) den Astigmatismus des Ralbleiterlasers (1) verringert.
3. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System (3) aus mindestens einer im wesentlichen konvexplanen Zylinderlinse besteht.
4. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der Zylinderlinse derart gewählt'ist, daß der Astigmatismus des Halbleiterlasers (1) im wesentlichen beseitigt ist.
5. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Zylinderlinse im wesentlichen parallel ist zu einer Schnittilnie, die aus einer laseraktiven Fläche (11) des Ealbleiterlasers (1) und dessen einem Auskoppelspiegel (12) entsteht
6. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Radius r der Zylinderlinse, einer astigmatischen Versetzung (a) eines astigmatischen Halbleiterlasers (1) und einem Abstand (c) zwischen einem Auskoppelspiegel (12) des Halbleiterlasers (1) und dem Scheitel der Zylinderlinse im wesentlichen die Beziehung r=1a c(c + a)(n - 1) besteht, wobei n den optischen Brechungsindex des Materials der Zylinderlinse bezeichnet.
7. Optische Koppel anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches System (3) mindestens einen Strahlfocus (13, 14) eines Halbleiterlasers (1) in-einen Raum zwischen dem Halbleiterlaser (1) und dem System (3) abbildet.
8. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das System (3) mindestens zwei Strahlfoci (13, 14) des Halbleiterlasers (1) im wesentlichen an einem gemeinsamen Ort (W', w;,) abbildet, der in dem Raum liegt und der als Strahlungsquelle (21) wirkt.
9. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Änderung eines Abstandes (c) zwischen Halbleiterlaser (1) und dem Syst'>rn C5) u einer Strahlung (2) mit unsymmetrischem Querschnitt eine Strahlungsquelle (21) mit symmetrischem Querschnitt erzeugbar ist.
10. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zur optischen Kopplung mindestens eines Halbleiterlasers (1) an mindestens eine Lichtleitfaser (4) mindestens ein optisches Koppelsystem (L1 L2) vorgesehen ist, das die Lichbquelle (21) im wesentlichen abbildet au£ mindestens einen optisch wirksamen Eingang von mindestens einer Lichtleitfaser (4).
11. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelsystem (L1, L2) aus mindestens zwei- optischen Linsen (L1, L2) und/oder Linsensystemen besteht.
12. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lichtleitfaser (4) als Monomode-Lichtleitfaser ausgebildet ist.
13. Optische Koppelanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches System (3) und/oder ein optisches Koppelsystem (L1 L2) mindestens eine optische Linse (L2) enthält, deren Durchmesser gleich oder größer ist als der Durchmesser einer angekoppelten Lichtleitfaser.
14. Optische Eòppelanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Halbleiterlaser (1), mindestens ein optisches System (3) und mindestens ein optisches Koppelsystem (L1, L2) im wesentlichen zu einem optischen Bauelement zusammengefaßt sind, an dem wahlweise mindestens eine Lichtleitfaser (4) angebracht ist.
15. Optische Koppelanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine optisch wirksame Fläche (31) im wesentlichen entspiegelt ist für die verwendete Strahlung.
16. Optische Koppelanordnung nach einem oder.mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Koppelsystem (L1 L2) als eine anamorphotische optische Anordnung ausgebildet ist.