ARRANGEMENT FOR COUPLING A LIGHT WAVE GUIDE TO A SEMICONDUCTOR LASER AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH AN ARRANGEMENT

Abstract: Arrangement for coupling a monomode fibre (1) to a semiconductor laser (4). The coupling arrangement consists of a graded-index optical waveguide (2) of defined length (L) spliced to the monomode fibre (1), and of a spherical or aspherical refracting fibre lens (3), which is fused onto the end of the graded-index optical waveguide (2). The coupling arrangement has the advantage that it has a large aperture angle, a low feedback of the first lens surface and only a few reflecting surfaces, and that it requires few adjusting steps. <IMAGE>

Description: Koppelanordung zum Ankoppeln eines Lichtwellenleiters an einen Halbleiterlasser und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koppelanordung zum Ankoppeln eines Lichtwellenleiters, insbesondere eines Monomode-Lichtwellenleiters an einen Halbleiterlasser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung. F[r die Ankopplung eines Lichtwellenleiters, insbesondere eines Monomode-Lichtwellenleiters an Halbleiterlasser ist eine Vielzahl von Koppelanordnungen vorgeschlagen und untersucht worden (siehe beispielsweise Sakai J.I.und Kimura T.: Design of miniaturs lens for semiconductor lasser to single-mode fiber coupling, IEEE Journal of Qu. Electron. QE-16 (1980) 1059-1066: Saruwatard M. und Sugie T.: Efficient lasser diode to single-ode fiber coupling using a combination of two lenses in confocal condition, IEEE Journal of Qu. Electron. QE-17 (1981) 1021-1027; Kuwahara H., Sasaki M. und Tokoyo N.: Efficient coupling from semiconductor laser into single-mode fibers with tapered hemispherical ends, Appl. Optics 19 (1980) 2578-2583; Sumida M. and Takemoto K. : Lens aberation effect on a laser-diode-tosingle-mode fiber coupler, Electron. Lett. 18 (1982) 582-587; Khoe G.D. Poulisser J. de Vrize H.M.: Efficient coupling of laser diodes to tapered monomode fibres with high-index end, Electron. Lett. 19 (1983) 205-207 und Liou K.Y.: Single-longitudinal-mode operation of injection laser coupled to a grinrod external cavity, Electron. Lett. 19 (1983) 750 751). Ed 1 Sti/9.2.1984 Zwei wichtige Berteilungskriterien für Koppelanordnungen sind ein möglichst hoher Koppel Wirkungsgrad und eine möglichst geringe Rückwirkung durch reflektiertes Licht auf den Laser, die durch entsprechende Ausführung der Koppel optik beeinflusst werden können. Mit diskreten Linsen, beispielsweise einer Kombination aus Gradientenlinse und Kugellinse, erreicht man grosse Öffnungswinkel und relativ grosse Abstände zwischen Laser und der erste Linsenfläche. Durch den grossen Abstand zwischen dem Laser und der Linse wird die Rückwirkung durch reflektiertes Licht von der ersten Linsenfläche verringert. Dieser Vorteil kann jedoch durch die Vielyahl von rückwirkenden Linsenflächen verlorengehen. Zudem wächst die Zahl der Justierschritte mit der Anzahl der diskreten Linsen. Weniger Justierschritte sind nötig, wenn die Koppelan ordnung mit der F Faser fest verbunden it, wie beispiels- weise beim Fasertaper mit angeschmolyener Linse. Nachteilig ist hierbei der geringe Öffnungswinkel und der relativ leine Abstand zwischen Laser und Linse und die damit grössere Rückwirkung durch die erste Linsen fläche als bei mehreren diskreten Linsen. Dafür ist je- doch nur diese erste Linsenfläche der angeschmolzenen Linse vorhanden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Koppel anordnung der e-ngangs genannten Art anzugeben, die einen grossen Öffnungswinkel, eine geringe Rückwirkung der ersten Linsenfläche und nur wenige reflektierende Flächen aufweist, und die wenig Justierschritte benötigt. Diese Aufgabe wird durch eine Koppelanordnung der ein- gangs genannten Art gelöst, welche die a kennzeichnen- den Teil des Pantentanspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Die erfindungsgemässe Koppelanordnung verbindet die Vorteile einer diskreten Linsenanordnung, die in grossen Öffnungswinkel und in der geringen Rückwirkung der ersten Linsenfläche zu sehen sind, mit den Vorteilen einer integrierten Linsenanordnung, die wenig Justierschritte benötigt und wenige reflektierende Flächen aufweist. Die erfindungsgemässe Koppelanordnung ist mit dem Licht wellenleiter verbunden. Mit 'hr wird eine Anpassung des Fleckradius des Lasers an den grösseren Fleckradius des Lichtwellenleiters erreicht, der durch den Radius es ^ Lichtwellenleiter geführten Grundmodes bestimmt ist. Bevorzugte und vorteIlhafte Ausgestaltungen der erfin- dungsgemässen Koppel anordnung gehen aus den Ansprüchen 2 bis 7 hervor. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass die Herstellung des richtigen Krümmungsradius der brechenden Linse sehr erleichtert wird, wenn, gemäss Anspruch 5 das Erde der Gradientenfaser eie Durchmesser aufweist, der zuin- dest annähernd dem Zweifachen dieses Krümmungsradius entspricht. Für den Fall, dass der Durchmesser der angespleissten Gradientenlinse grösser ist als der besagte Krümmungs- radius, wird die Gradientenlinse zweckmässigerweise auf den genannten Durchmesser abgeätzt, so dass die ifl Anspruch 6 angegebene Anordnung entsteht. Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Koppelanordnung geht aus dem Anspruch 8 hervor. Die Ansprüche 9 und ,0 geben zwei verschiedene Wege an, wie bei diesem Verfahren nach Anspruch 10 die brechende Linse hergestellt werden kann. Eie Anordnung nach An spruch 6 wird mit einen genannten Verfahren zweckmässigerweise so hergestellt, wie es im-Anspruch 11 angegeben ist. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren in der folgenden Beschreibung näher erläutert, wobei insbesondere eine beispielhafte Koppelanordnung beschrieben wird. Von den Figuren zeigen Figur 1 den Strahl verlauf in einer Gradientenlinse generell und speziell in einer Gradientenfaser, die an eine Monomode-Lichtleitfaser angekoppelt ist, Figur 2 die beispielhafte Koppelanordnung zum Ankoppeln eines Halbleiterlasers an ene Monomodefaser, und Figur 3 eine Koppelanordung mit geätzter Gradientenfa ser. In einer Gradientenlinse, beispielsweise eine Gradientenfaser oder ein anderer dielektrischer Wellenleiter mit parabolischen oder annähernd parabolischen radialem Brechzahlverlauf, ändert sich der Fleckradius w des geführten Lichts mit gaussförmiger Querschnittverteilung 51 der Lichtintensität in Längsrichtung der Linse periodisch. Wie die Figur 1 zeigt, schwankt der Fleckradius w längs der Gradientenlinse 2' wellenförmig periodisch zwischen einem maximalen Fleckradius wmax und max einem minimalen Fleckradius wmin. Der yu einer genauen Anpassung notwendige maximale Fleckradius Wmax bei Ankopplung an eine Monomodefaser , mit dem Fleckradius wf = wmin errechnet sich aus Nicia A.: Loss analysis of laser-fiber coupling and fiber combiner, and its application to wavelenght division multiplexing, Appl. Optics. 21 (1982) 4280-4289' zu wmax = wOê/wf wobei wO der Fleckradius des ausbreitungsfähigen Grundmodes in der Gradientenfaser 20 ist (siehe dazu D. Marcuse: Gaussian approximation of the fundamental modes of graded-index fibers, J. Opt. Soc. Am. 68 (1978) 103-109). Um eine möglichst grosse Brennweite der Koppelanordnung und danit einen grossen Abstand zwischen dem Halbleiter- laser und der Linse zu erreichen, muss der maximale Fleckradius w max möglichst gross sein. Da w wmax quadra- tisch mit w0 wächst, ist eine Gradientenfaser mit möglichst grossem Fleckradius wO des Grunndmodes günstig. Typische Werte liegen zwischen 7 m &num; wO &num; 10 m bei einer Wellenlänge &num;O = 1,3 m. Mit Fleckradien von 5 m &num; wf &num; 6 m in der Monomodefaser 20 ergibt sich eine Fleckaufweitung um den Faktor 1,5 bis 4. Die in der Figur 1 eingetragene Pitchlänge P der Gradientenlinse liegt bei einer gradientenfaser bei etwa 1 mm. Die Berechnung der Pitchlänge einer Gradientenfaser wird beispielweise in Tomlinson W.J.: Aberrations of GRIN-rod lenses in multimode optical fiber devices, Appl. Opt. 19 (1980) 1117-1125 durchgeführt. Die vorstehend dargelegten Erkenntnisse sind bei der in der Figur 2 dargestellter Koppel anordnung berucksich- tigt. Bei dieser Koppelanordnung ist mit 1 die gleiche Monomodefaser wie in Figur 1 bezeichnet und die an iese Monomodefaser 1 unmittelbar angespleiss&num;e Gradientenfaser 2 entspricht bis auf die definierte Länge L genau der Gradientenfaser 2' in rigur 1. Die definierte Länge L der Gradientenfaser 2 liegt im Bereich P/4 &num; LP < /2 und hängt im wesentlichen von gewünschten Öffnungswinkel und der gewünschten Brennweite der Koppelanordnung ab. Da die Strahlaufweitung in der Gradientenfaser gemäss figur 1 periodisch erfolgt, sind auch definierte Längen L im Bereich P/4 + n . P/2 c L < P/2 +. n , P/2 möglich, wobei n eine beliebige natürliche Zahl bedeutet. Allerdings wirken sich dabei Linsenfehler der Gradientenfaser, insbesondere die sphärische Aberration verstärkt aus. An die Gradientenfaser 2 definierter Länge L ist die brechende Linse 3 angeschmolzen, deren blechende Linsenfläche 31 im dargestellten Fall sphärisch ist. Anstelle der sphärischen Linsenfiäche kann auch eine asphärische Llnsenfläche verwendet werden. Der Halbleiterlaser 4 wird relativ zur JCoppelanordnung so angeordnet, dass seine Apertur A, aus weicher der Laserstrahl LS austritt, in der Brennebene F der brechenden Linse 3 liegt. Wie sich der Fleckdurchnesser d des aus dem Halbleiterlaser 4 austretenden Laserstrahis LS in Ausbreitungsrichtung und beim Durchgang durch die Kop pelanordnung 2 bis zur Monomodefaser 1 ändert, zeigen die Fleckbegrenzungslinien 5. Der Fleckdurchmesser d des divergent aus der Aper'tur A austretenden Laserstrahls LS vergrössert sich auf der Strecke vom Halbleiterlaser 4 bis zur Linsenfläche 31 der brechenden Linse 3 auf einen Durchmesser, der etwa 2wmaX entspricht. Dieser Durchmesser wird in der brechenden Linse in etwa beibehalten und verkleinert sich nach dem Übertritt des Laserstrahls in Cie Gradientenfaser 2 auf den Durchmesser 2wmin = der dem Fleckdurchmesser des Grundmodus der Monomode- faser 1 entspricht und der an der Grenzfläche zwischen der Gradientenfaser 2 und der Monomodefaser 1 erreicht wird. Dieser Durchmesser wird in der Monomodefaser 1 beIbehalten. Zur Herstellung der Koppelanordnung nach Figur 2 kann so vorgegangen werden: Eine Gradientenfaser wird mit einem kommeryiellen Spleissgerät an die Monomodefaser 1 anse- spreizt und mit einem Fasertrenngerät auf die gewünschte definierte Länge L abgeschnitten. Zweckmässigerweise wird eine Gradientenfaser verwendet, die den gleichen Aussendurchmesser wie die Monomodefaser aufweist, weil dadurch sowohl das Spleissen als auch das Trennen problemlos erfolgt. An das glatt abgetrennte freie Ende der angespleissten Gradientenfaser kann eine Quarzlinse oder eine Linse aus hochbrechendem Glas angeschmolzen werden. Die Quarzlin- se wird durch Rundschmelzen des Endes der Gradienten- faser im Lichtbogen hergestellt. Der gewünschte Krün- mungsradius der brechenden Linsenfläche bildet sich insbesondere beim Rundschmelzen des Faserendes am einfachsten, wenn das Ende der Gradnentenfaser vorher auf einen Durchmesser ab geätzt wird, der dem'doppelter Krümmungsradius der Linsenfläche enspricht. Die hochbrechende Linse kann durch Eintauchen der Gracienten- faser in eine Schmelze aus hochbrechendem Glas erzeugt werden. Beim Herausziehen bleibt ein Tropfen kontrol- lierbarer Grösse hängen, der sich durch die Oberflächen- spannung zu einer Linse formt. Damit könnten sphärische und asphärische Linsen hergestellt werden (siehe R. Keil, . Msatnyssek, J. WittmannÖ Herstellung von gezogenen Glasfasertapern mit angeschmolzener Linse, Laborberlcht LB-Nr. FKE 3-444). Die Figur 3 zeigt eine Koppelanordnung aus der Monnomode- faser 1, einer daran angespleissten Gradientenfaser 2 und einer angeschmolzenen brechenden Linse 3, bei der die Gradientenfaser 2 durch Eintauchen in ein Ätzmittel an dem Ende, an dem die brechende Linse 3 angeschmolzen ist, einen Durchmesser D auf weist, der zumindest an- nähernd gleich dem Zweifachen des gewünschten Krümmungsradius r der sphärischen Linsenfläche 31 der brechenden Linse 3 ist. Das Abätzen erfolgt zweckmässigerweise nach dem Anspleissen der Gradientenfaser 2 an die Monomode- faser f und natürlich vor dem Anbringen der brechenden Linse 3. 1 1 Fatentansprüche 3 Figuren

Claims: Coupling device for coupling light from a semiconductor laser (4) into a monomode optical fibre (1) having a prescribed spot radius (w f ), comprising a gradient lens (2) and an optical lens (3) having only one convex refractive surface (31), characterised in that the gradient lens (2) comprises a gradient fibre of defined length (L), whose minimum spot radius (w min ) is essentially equal to the spot radius (w f ) of the optical fibre (1), in that the length (L) is determined by the condition P/4+n.P/2<L<P/2+n.P/2 where n = 0, 1, 2, 3, ... , P denoting the pitch length of the gradient fibre (2), in that an end face of the gradient fibre (2) is prepared for splicing to the optical fibre (1), in that the lens (3) is fused on the other end face of the optical fibre (1) in such a way that the convex refractive surface (31) is averted from the other end face of the gradient fibre (2), and in that the gradient fibre (2) and the lens (3) are dimensioned such that a point in the centre of the one end face of the gradient fibre (2) is projected onto a point in front of the convex refractive surface outside the lens (3). Device according to Claim 1, characterised in that the maximum spot radius (w max ) is more than 1.4 times the minimum spot radius (w min ). Device according to Claim 2, characterised in that the maximum spot radius is more than 1.5 times the minimum spot radius (w min ). Device according to one of the preceding claims, characterised in that the convex surface (31) of the lens (3) has a spherical lens surface. Device according to Claim 4, characterised in that at the second end face on which the lens (3) is fused the gradient fibre (2) has a diameter (D) which is at least approximately twice the predetermined radius of curvature (r) of the convex surface (31) of the lens (3). Device according to one of Claims 1 to 3, characterised in that the convex surface (31) of the lens (3) is aspherical. Method for coupling lights from a semiconductor laser into a monomode optical fibre, in which a gradient fibre whose minimum spot radius (w min ) is essentially equal to the spot radius (w f ) of the monomode optical fibre (1) is spliced with its first end face to the monomode optical fibre, the gradient fibre (2) is cut to a specific length, fused to the second end face, produced by the cutting, of the gradient fibre is a lens having a convex refractive surface (31) averted from this second end face, the specific length of the gradient fibre being selected such that after the fusing of the lens a length (L) of the gradient fibre is produced which satisfies the condition P/4+n.P/2<L<P/2+n.P/2 where n = 0, 1, 2, 3, ..., P denoting the pitch length of the gradient fibre (2), and the dimensioning of the gradient fibre (2) and of the lens (3) being selected such that a point in the centre of one end face of the gradient fibre (2) is projected onto a point in front of the convex refractive surface outside the lens (3), and the aperture of the semiconductor laser being arranged at this point in front of the convex surface of the lens (3). Method according to Claim 7, characterised in that the lens (3) is produced in the arc by fusing around the second end face of the gradient fibre (2) spliced to the monomode optical fibre (1). Method according to Claim 7, characterised in that the lens (3) is produced by immersing the smoothly cut second end face of the gradient fibre (2), spliced to the monomode optical fibre into a melt made from glass, by withdrawing the immersed second end face from the melt. Method according to one of Claims 7 to 9, preferably according to Claim 8, characterised in that prior to providing the lens (3) the gradient lens (2) spliced to the monomode optical fibre (1) is etched on the second end face by immersion in an etchant to a second diameter (D) which corresponds at least approximately to twice the predetermined radius of curvature (r) of the, convex surface (31) of the lens (3).

Inventors: KEIL, RUDOLF, DR.-ING., MATHYSSEK, KONRAD, DR.-ING., WITTMANN, JULIUS, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: G02B6
IPC codes: G02B6