DE3910166A1 - Optische koppelvorrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Koppeln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 12.

Bei Lichtwellenleiter-Sende- und Empfangsbauelementen, z. B. bei bidirektionalen Lichtwellenleiter-Sende- und Empfangsmodulen be­ steht das technische Problem, ein optoelektronisches Halbleiter­ bauelement (Lichtsender oder Lichtempfänger) in Freistrahloptik an einen Lichtwellenleiter in der gewünschten Weise optisch an­ zukoppeln.

Zu diesem Zweck muß eine exakte Justierung eines Lichtwellenlei­ ters in einer sogenannten Faser-Linse-Einheit vorgenommen werden. Eine solche Einheit besteht beispielsweise aus einem in einem Rohr fixierten single mode-Lichtwellenleiter und einer ebenfalls in einem Rohr fixierten Kugellinse.

Zum Erreichen der gewünschten optischen Eigenschaften einer sol­ chen Vorrichtung muß die Linse in einer bestimmten räumlichen Relation zu dem Lichtwellenleiter fixiert und justiert sein. Da­ bei kann es erforderlich sein, daß beispielsweise die optischen Achsen der Linse und des Lichtwellenleiters eine von der achs­ kongruenten Lage abweichende Lage aufweisen müssen. Beispiels­ weise können die optischen Achsen der Elemente gegeneinander versetzt sein, falls z. B. die Rückwirkung des von der Vorrich­ tung reflektierten Lichtes auf ein zu koppelndes optoelektroni­ sches Halbleiterbauelement, z. B. eine Laserdiode, verringert werden soll.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 38 10 938.7 ist eine hermetisch dichte Lichtleitfaser-Linsen-Anordnung, insbesondere für optoelektronische Module, vorgeschlagen, bei der eine Linse und ein Lichtwellenleiter in x-, y- und z-Richtung genau justiert werden, so daß das aus dem Lichtwellenleiter austretende Licht in einem definierten Brennpunkt auf der optischen Achse fokus­ siert wird. Der Brennpunkt kann beispielsweise auch im Unend­ lichen liegen. Die Faser-Linse-Einheit produziert dann einen Parallelstrahl. Da der optische Strahlengang umkehrbar ist, läßt sich mit der justierten Faser-Linse-Baueinheit ebenso Licht aus dem Brennpunkt in den Lichtwellenleiter abbilden. Nach der Justa­ ge werden das die Faser führende Metallrohr und das die Linse halternde Metallrohr über ein Zwischenteil in der eingestellten Position zueinander z. B. durch Punktschweißen fixiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine genaue Justage und Befestigung von Lichtwellenleiter und Linse mit möglichst geringem Herstell­ aufwand zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum optischen Koppeln mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß - statt die Linse und den Lichtwellenleiter einzeln in kurzen Rohren zu fassen und mit einem Zwischenteil justiert mit­ einander zu verbinden - bei der hier vorgeschlagenen Vorrichtung das justierende Grundelement ein präzise kalibrierter Innenzy­ linder in einem Rohr bzw. Rohrflanschteil ist. Dieser Innenzy­ linder läßt sich auf Mikrometer genau in einem Kugelpreßverfahren mit Hartmetallpräzisionskugeln kalibrieren. In diesen genau kali­ brierten Innenzylinder werden nun nacheinander folgende Teile justiert, und zwar durch bloßes Einpressen oder Einschieben:

• - die Linse, vorzugsweise eine Kugellinse mit einem µm-genauen Durchmesser. Bei definiertem Durchmesserübermaß gegenüber dem Innenzylinderdurchmesser des Rohres ergibt sich dabei ein her­ metisch dichter Preßsitz der Kugellinse,
• - gegebenenfalls eine Distanzscheibe, deren Dicke µm-genau ist und die zweckmäßig auf Anschlag auf die Kugellinse eingefügt ist,
• - das Steckstiftelement, das vorzugsweise aus zwei Siliziumhalb­ schalen besteht.

Der in die Siliziumhalbschalen gefaßte und an der Stirnfläche polierte Lichtwellenleiter wird dabei im Innenzylinder in der gewünschten Lage justiert und fixiert. In die Siliziumhalbscha­ len lassen sich verschieden tiefe V-Rillen für die Aufnahme des nackten Lichtwellenleiters bzw. der verschieden starken Kunst­ stoffhüllschichten des Lichtwellenleiters in einem photolitho­ graphischen Verfahren in µm-Genauigkeit ätzen. Die mit V-Rillen ausgestatteten Siliziumwafer lassen sich ihrerseits mit Wafer­ sägen in µm-Genauigkeit relativ zu den V-Rillen vereinzeln. In zwei zusammengeklappte V-Rillen-Halbschalen lassen sich nun zu­ mindest teilweise von der Kunststoffhülle befreite, "abisolierte" bzw. nackte Lichtwellenleiter einfügen und fixieren und an den Stirnflächen abpolieren. Man erhält so ein aus Silizium bestehen­ des Steckstiftelement mit rechteckigem oder quadratischem Quer­ schnitt, in dessen V-Rillen bzw. Nuten der Lichtwellenleiter sehr genau zu den Außenkanten positioniert ist.

Als Alternative für die Positionierung des Lichtwellenleiters in den Siliziumhalbschalen kann ein metallischer Steckstift mit einem präzise gedrehten Außendurchmesser und einer ebenso prä­ zisen Bohrung zur Aufnahme des Lichtwellenleiters bzw. der Faser vorgesehen sein. Des weiteren kann es zweckmäßig sein, daß an Stelle der Siliziumhalbschalen präzise Spritzgußteile die Posi­ tionierung des Lichtwellenleiters bzw. der Lichtleitfaser über­ nehmen.

Nach dem Zusammenfügen der Einzelteile im Metallrohr bzw. Rohr­ flanschteil erhält man bei richtigen bzw. exakt vorgegebenen Abmessungen der Einzelkomponenten eine µm-genau justierte opti­ sche Koppelvorrichtung bzw. Faser-Linse-Baueinheit mit den ge­ wünschten bzw. vorgegebenen optischen Eigenschaften.

Auf die gleiche Art und Weise kann man einen Lichtwellenleiter in eine Lichtwellenleiter-Steckerstifthülse justieren, wenn man den vorzugsweise in Siliziumhalbschalen gefaßten Lichtwellenlei­ ter in den präzise kalibrierten Innenzylinder der Steckerhülse einschiebt und fixiert.

Der besondere Vorteil dieser Justierung in reiner Fügetechnik liegt in dem wesentlich geringeren Herstellungsaufwand für die optische Koppelvorrichtung gegenüber der eingangs beschriebenen älteren hermetisch dichten Lichtleitfaser-Linsen-Anordnung, bei der drei Teile einzeln zueinander justiert und fixiert werden müssen.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten, bevor­ zugten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße optische Koppelvorrichtung im Längs­ schnitt und

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte optische Koppelvorrichtung besteht im wesentlichen aus dem Metallrohr 3, in diesem Ausführungs­ beispiel in Form eines Rohrflanschteiles, das als justierendes und fixierendes Grundelement einen präzise kalibrierten Innenzy­ linder 4 aufweist. In den Innenzylinder 4 des Metallrohres 3 ist eine Linse 2, in diesem Beispiel eine Kugellinse, durch Preßsitz hermetisch dicht eingefügt. Der Lichtwellenleiter 1 ist in dem Steckstiftelement 5 präzise geführt. Das Steckstiftelement 5 be­ steht aus zwei Festkörperhalbschalen 7 aus Silizium, die zur Führung des Lichtwellenleiters jeweils mit einer V-Nut 6 ver­ sehen sind. Zwischen die Kugellinse 2 und das Steckstiftelement 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Distanzscheibe 8 präzi­ ser Dicke auf Anschlag mit der Kugellinse 2 eingefügt. Der in Siliziumhalbschalen 7 gefaßte und an der Stirnfläche polierte Lichtwellenleiter 1 wird an die Distanzscheibe 8 gepreßt und fixiert. Als Lichtwellenleiter 1 wird in diesem Beispiel eine SM (single mode)-Faser verwendet. Das in diesem Ausführungsbei­ spiel aus zwei Siliziumhalbschalen 7 zusammengesetzte Steckstift­ element 5 weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf und die V-Nut 6 ist in die jeweilige Halbschale 7 so eingeätzt, daß die optische Achse des in der Nut 6 geführten Lichtwellenleiters 1 zur optischen Achse der Kugellinse 2 bzw. des Innenzylinders 4 vertikal versetzt ist. Eine solche räumliche Relation von Licht­ wellenleiter 1 und Linse 2 ist insbesondere dann erwünscht, wenn z. B. störende Rückreflexionen von in den Lichtwellenleiter 1 einzukoppelndem Licht, das z. B. von einer Laserdiode als Licht­ sender herrührt und deren Stabilität bzw. Emissionsverhalten negativ beeinflussen könnte, vermieden werden sollen. Zu diesem Zweck weist auch die Stirnfläche des Steckstiftelements 5 eine bestimmte Schräge auf. In diesem Beispiel ist der Lichtwellen­ leiter 1 in seinem der Linse 2 zugewandten Teil von der äußeren Schutzhülle 9 bzw. der Kunststoffumhüllung völlig befreit und in weiteren Verlauf zumindest teilweise. Die jeweilige in die Halbschalen 7 eingebrachte Nut 6 ist der äußeren Form des Licht­ wellenleiters 1 bzw. dessen äußerer Schutzhülle 9 entsprechend angepaßt. Die in diesem Beispiel V-förmige Nut weist daher eine entsprechende Abstufung auf. An dem der zur Lichteinkopplung bzw. Lichtauskopplung verwendeten Kugellinse 2 gegenüberliegenden Teil des als Rohrflanschteil ausgebildeten Metallrohrs 3 ist ein Schrumpfschlauch 10 angebracht, der als Knickschutz und zur Zug­ entlastung den mit einer Kunststoffumhüllung 9 versehenen hoch­ empfindlichen Lichtwellenleiter 1 umschließt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum optischen Koppeln eines Lichtwellenleiters mit einer Linse, die zu dem Lichtwellenleiter in einer bestimmten räumlichen Relation justiert und fixiert ist, der in einem Me­ tallrohr geführt und fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall­ rohr (3) als justierendes und fixierendes Grundelement einen präzise kalibrierten Innenzylinder (4) aufweist, und daß in den Innenzylinder (4) des Metallrohres (3) die Linse (2) durch Preß­ sitz hermetisch dicht und der in einem Steckstiftelement (5) präzise geführte Lichtwellenleiter (1) justiert eingefügt und fixiert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (2) eine Kugellinse ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Linse (2) und das Steckstiftelement (5) eine Distanzscheibe (8) präziser Dicke auf Anschlag eingefügt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steck­ stiftelement (5) aus zwei mit jeweils einer Nut (6) zur Führung des Lichtwellenleiters (1) versehenen Festkörperhalbschalen (7) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkör­ perhalbschalen (7) aus Silizium bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest­ körperhalbschalen (7) präzise Spritzgußteile sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steck­ stiftelement (5) ein metallischer Steckstift mit präzisem Außen­ durchmesser ist, der eine präzise Innenbohrung zur Führung des Lichtwellenleiters (1) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung oder Nut (6) zur Führung des Lichtwellenleiters (1) im Steck­ stiftelement (5) konzentrisch oder exzentrisch zur Achse des Metallrohres (3) verläuft.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht­ wellenleiter (1) zumindest in seinem der Linse (2) zugewandten Teil ohne äußere Schutzhülle (9) im Steckstiftelement (5) mit entsprechend angepaßter Bohrung oder Nut (6) geführt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall­ rohr (3) als Rohrflanschteil ausgebildet ist und zum Befestigen der Anordnung an einem bidirektionalen Lichtwellenleiter-Sende- und Empfangsmodul oder einem unidirektionalen Lichtwellenleiter- Sende- oder Empfangsmodul dient.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall­ rohr (3) als Steckerstifthülse ausgebildet ist.

12. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen­ zylinder (4) eines Metallrohres (3) als justierendes und fixieren­ des Grundelement in einem Kugeldurchpreßverfahren mit Hartmetall­ präzisionskugeln präzise kalibriert wird, daß in den Innenzylin­ der (4) des Metallrohres (3) die Linse (2) hermetisch dicht ein­ gepreßt und damit gleichzeitig justiert wird, und daß dann das Steckstiftelement (5) mit dem in einer vorgegebenen Lage präzise geführten Lichtwellenleiter (1) in das Metallrohr (3) eingefügt, justiert und fixiert wird.