DE3112167A1 - Optical coupling arrangement - Google Patents
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
tX opi s che Koppelanordnung" Die Erfindung betrifft eine optische Koppelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.tX opi s che coupling arrangement "The invention relates to an optical Coupling arrangement according to the preamble of claim 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.Such Eoppelanord: lungs are required, for example, to the from a substantially rectangular exit surface of a semiconductor laser outgoing radiation (light) in an optical waveguide or an optical fiber to couple, the z. B. has a circular cross section. Are called semiconductor lasers so-called "gain-guided" semiconductor lasers are used, they generally transmit radiate astigmatism. Should be such an astigmatic Semiconductor lasers are optically coupled to an optical fiber, so is the use a plan convex lens known, e.g. B. from the European patent application 0 017 374 by P. Kirkby. A planoconvex lens is used in such a coupling arrangement with its flat surface essentially directly on an exit mirror of a Semiconductor laser attached.
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.A first disadvantage of such a coupling arrangement is that that for a given astigmatism of the semiconductor laser and for each curvature (radius of curvature) the planoconvex lens a corresponding thickness of the planoconvex lens must be maintained must if the astigmatism is to be reduced. One such arrangement is only suitable for experimental purposes, because semiconductor laser with scattering Astigmatism each require a separate adaptation of the planoconvex lens.
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.A second disadvantage is that the planoconvex lens is essentially is attached directly to an output mirror of the semiconductor laser, because If the planoconvex lens needs to be displaced, the exit mirror are damaged in such a way that the resonator of the semiconductor laser is even completely gets destroyed. Such shifts are z. 3 when adjusting the coupling arrangement required.
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.The object of the invention is therefore, in particular for an astigmatic Semiconductor laser whose emitted radiation is in the plane of the output mirror has an arbitrarily shaped cross-section to specify an optical dual arrangement, which reduces the optically effective astigmatism, which is easily adjustable and which enables the generation of radiation that is perpendicular to their Direction of propagation has a largely arbitrary cross-section.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the in the characterizing part of claim 1 specified features solved.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.Appropriate embodiments are compiled in the subclaims.
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.A first advantage of the invention is that in particular at the coupling of a radiation emitted by a "gain-guided" semiconductor laser into an optical fiber, e.g. B. a single mode optical fiber, eite considerable reduction the optical coupling losses is achieved.
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.A second advantage is that the coupling arrangement is lightweight is adjustable without damaging the output mirror of the semiconductor laser. It It is possible that the scattering of the astigmatism in semiconductor lasers increases significantly reduce the z. B. have occurred as a result of manufacturing tolerances.
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.The invention will play in the following with reference to Ausführungsbei explained in more detail with reference to the schematic drawings. FIG. la or FIG. Ib cross-sections through a "gainguided" semiconductor laser for explanation the appearance of astigmatism FIG. 2 and FIG. 3 according to the invention Embodiments FIG. 1a shows a schematic cross section, perpendicular to laser-active zone 11, by a semiconductor laser 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.The radiation 2 (light) emerging perpendicular to the laser-active zone 11 has a first focus 13 which is on an output mirror 12 of the semiconductor laser 1 lies.
FIG. Ib zeigt einen schematischen Querschnitt, in der Ebene der laseraktiven Zone 11, durch einen-Halbleiterlaser 1.FIG. Ib shows a schematic cross section, in the plane of the laser-active Zone 11, by a semiconductor laser 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.The radiation 2 exiting parallel to the laser-active zone 11 (light) has a second focus 14, which lies within the laser-active zone 11 and which from the output mirror 12 is a distance that also includes astigmatic displacement a is called.
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.In addition, the so-called "gain-guided" semiconductor lasers Cross-section of the emitted radiation 2 generally in a parallel direction to the l-asera'Ktiven zone 11 a larger diameter than in a direction perpendicular to the laser-active zone 11 is now the radiation 2 of such a semiconductor laser 1 z. B. be coupled into an optical fiber by means of a spherical lens, so there are considerable optical coupling losses, because under the mentioned Conditions can either the first focus 13 or the second focus 14 exactly the input of the optical fiber can be mapped. Apart from that in general result in a lack of adaptation of the cross-section of the radiation themselves hence considerable optical losses due to the astigmatism.
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.FIG. 2 shows a schematic representation of an inventive Embodiment that makes it possible first of all, the astigmatism mentioned To make semiconductor laser 1 essentially ineffective, so that then z. B. by means of a further optical arrangement, not shown, at the same time an exact one Illustration of the foci 13 and 14 is possible. Coupling losses are considerable as a result decreased. The principle of the invention is based on this, initially by means of a convex plane optical system 3, e.g. B of a cylindrical lens, the foci 13 and 14, which are attached to the locations W1 and W "are to be combined to form a common radiation source 21, which is at a location Wj W "? which is in the space between the exit mirror 12 of the semiconductor laser 1 and the vertex H of the convex plane system 3. A convex plane The only difference between an optical system and a multi-convex optical system is by the direction of the incident optical radiation. According to FIG. 2 falls the Radiation 2 emitted by the semiconductor laser 1 initially onto a convex surface 31 of the system 3 and then on its flat surface 32. Therefore, such a optical system called convex plan. By changing the distance c between Semiconductor laser 1 and the system 3, it is possible, the astigmatic displacement to make a visually ineffective. Such an adjustment process enables daastinmatiscne forth an adaptation to scattering / dislocations a, the z. B. production-related could be. Is the system 3 designed as a convex plane cylinder lens, whose longitudinal axis according to FIG. 2 essentially parallel to the laser-active zone 11 runs, the radius r of the cylinder lens is calculated according to the formula r = a c (c + a) (n - where n is the optical refractive index of the material of the cylindrical lens denotes for radiation 2. It is therefore possible, for example, to add the radius r to one adjust specified distance c. It is advantageous e.g. for manufacturing of the cylinder lens that the thickness d of the cylinder lens, according to the formula mentioned, has no influence on the radius r. With an exemplary given astigmatic The above formula allows a free choice of the radius r as well as the offset a Distance c. This choice enables a stratification source 21 with an essentially Generate symmetrical cross-section, because the radius of the beam waist, perpendicular to the laser-active zone 11, the radiation source 21 is calculated according to the formula w, = wJ (c + a) / c, where w, the radius measured perpendicular to the laser-active zone 11 is the waist of radiation 2 at exit mirror 12. The radius w; the waist can e.g. be chosen such that wl = w, '"where w,', the radius of the waist denoted parallel to the laser-active zone 11 of the radiation source 21. Such a one Radiation source is referred to as symmetrical and is particularly well suited for further optical images, e.g. for coupling the Radiation 2 into an optical fiber with a circularly symmetrical cross section.
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.Such an embodiment is shown in FIG. 3 shown. the Radiation 2 emitted by an astigmatic semiconductor laser 1 initially passes through a described benes convex flat optical system 3, - the one in place W generates a radiation source 21. This radiation source 21 is by means of a optical coupling system Ll, L2 to the input W "of an optical fiber 4, z. B. a fashion mode optical fiber. It is advisable to use the coupling system L1, L2 should be designed at least as a two-line system, because this makes it possible to use a coupling system spatially very compact and mechanically insensitive to build. One in the coupling system Optical lens L1 or lens group L1 included in L1 L2 has, for example, one such focal length and numerical aperture that the radiation source 21 is essentially is imaged lossless in an infinitely distant point, so there is a parallel radiation.
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.This radiation is generated by means of the optical lens h or lens group L2 coupled into the optical fiber 4, taking into account their numerical Aperture. It is also expedient to have at least one optically effective surface 31 to be anti-reflective for the radiation used 2. The described coupling system L1, L2 relates to an optical fiber 4 with a symmetrical cross section according to the invention it is possible to use optical fibers and / or optical waveguides with any cross-section to use. In such an embodiment it is expedient to use a coupling system to choose that enables a corresponding anamorphic image.
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.It is also useful to use the semiconductor laser 1, the system 3, the coupling system Li L2 and the optical fiber 4 (length z. B. 1 m) or a number these parts to one summarize optical component. A Such a component can, for example, be supplied by a manufacturer with as little optical loss as possible adjusted and housed in a housing. A connection of the component z B, to a long optical fiber (e.g. several 100 m) is then carried out by means of a plug and / or splice connections.
Die Erfindung ist nicht nur auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ebensogut auf andere astigmatische Strahlungsquellen anwendbar, deren Astigmatisnus verringert werden soll.The invention is not limited to the exemplary embodiments mentioned limited, but equally applicable to other astigmatic radiation sources, whose astigmatism is to be reduced.
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.In addition, the invention is advantageously optically operative Arrangements can be used that require very precise optical images, e.g. for Directional radio with astigmatic radiation sources (semiconductor laser) and / or with the optical data recording, directional radio generally uses a beam path with a small widening of the beam cross-section required. Such a beam sets but a radiation source that is as free of astigmatism as possible is required, in the case of the optical For data recording, the smallest possible image of a radiation source is desired. Such an image also sets a radiation source that is as astigmatism-free as possible in advance.
Claims (16)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8131 | Rejection |