METHOD FOR COUPLING OPTICAL MEMBERS AND ARRANGEMENT FOR CARRYING OUT THE METHOD

Abstract: In this method, the components, for example a semi-conductor laser and a monomode optical fibre are first attached to carrier bodies which are displaced with respect to one another with the aid of level surfaces and as a result can be adjusted with high accuracy. The carrier bodies are then joined to one another by electrical resistance welding, soldering or bonding.

Description: Beschreibung "Verl'ahrell zutn Koppeln optischer Bauelemente und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koppeln optischer Bauelemente und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6 Insbesondere für die optische Nachrichtenübertragung ist es erforderlich, optische Bauelemente zu koppeln. Bei einer beispielhaft gewählten Teilnehmerstation einer optischen Nachrichtenübertragungsstrecke mit einem Glasfaser-Lichtwellenleiter ist es erfoderlich, einen elektrooptischen Sender, z.B. einen Halbleiterlaser, und/oder einen optoelektrischen Empfällger, z.B. eine Halbleiter-Fo- todiode, mit einem Lichtwellenleiter zu koppeln. Dabei sollen optische Koppelverluste vermieden werden, die beispielsweise durch eine ungenügende Justierung der optischen Bauelemente enstehen. In der Druckschrift G. Khoe et al.:Progress in Monomode Optical Fiber Interconnection Devices, Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-2, 1984, Seiten 217 bis 227 sind mehrere Anordnungen beschrieben zum Koppeln der optischen Bauelemente. Bei den dort beschriebenen Anordnungen werden für die optischen Bauelemente häufig zylindersymmetrische flalte- rungen verwendet. Diese haben zwar in vorteilhafter Weise eine gute Stabilität gegenüber Temperaturänderungen und mechanische Schwingungen und mechanische Schockbeanspruchung, besitzen jedoch den Nachteil, dass keine optische Beobachtung der Koppelstelle möglich ist und somit die Justierung erschwert wird. Zur gegenseitigen Befestigung der verwendeten Bauteile werden in nachteiliger Weise häufig Kleber verwendet. Diese besitzen eine relativ lange Aushärtezeit, auch die sogenannten schnellhartenden Kleber, die insbesondere eine kostengünstige Massenproduktion verhindert. Weiterhin istLangeitstabilität von Klebverbindungen unsicher, denn durch Altern und/oder Quellen des Klebers entstehen Änderungen, die insbesondere bei kleinen Fertigungstoleranzen zu unwirtschaftlichen Ausschüssen führen können. Eine zum Kleben alternative Methode ist die Kaltverschweissung unter Benutzung eines weichen Metalls, z.B. Indium. Zur Herstellung einer haltbaren kaltver schweissen Verbindung ist es erforderlich, diese weichen Metalle mit sehr hohen Kräften zu pressen. Dadurch treten möglicherweise störende Verformungen auf, die ein Einhalten besonders kleiner mechanischer Toleranzen erschweren oder sogar verhindern. Bei einer beispielhaft gewählten optischen Kopplung eines Halbleiterlaser an einen (Quarzglas-)Monomode-Lichtwellen leiter, dessen Ende konvex-linsenförmig ausgebildet ist, ist für einen möglichst hohen optischen Koppelwirkungsgrad in Längsrichtung des Lichtwellenleiters für den Abstand Halbleiterlaser-Lichtwellenleiter eine Toleranz von 1pm bis 3um zulässig. Für die Abweichung von der optischen Achse ist dagegen, senkrech zur Längsachse des Lichtwel lenleiters, lediglich eine Toleranz von O,2m bis O,Spm zulässig. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein gattungsgemässes Verfahren und eine gattungsgemässe Anordnung anzugeben, die insbesondere bei einer kostengünstig durchführbaren Massenproduktion eine hochgenaue, langzeitstabile sowie zuverlässige Justierung der optischen Bauelemente ermöglichen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 6 angegebenen Merkmale. Zweckmässige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung. Die Figuren 1 und 2 zeigen Querschnitte durch zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele. Die Figuren 1 und 2 zeigen als optische Bauelemente einen (Quarzglas-)Monomode-Lichtwellenleiter 10, der einen lichtführenden Kern mit einem Durchmesser von ungefähr 9um sowie einen diesen umhüllenden (Glas-)Mantel mit einem Aussendurchmesser von ungefähr 120pm besitzt und dessen Ende konvex-linsenförmig ausgebildet ist. Ein beispielhaft gewählter Halbleiterlaser 9 soll unter Einhaltung der eingangs erwähnten mechanischen Toleranzen derart angeordnet werden, dass ein möglichst hoher Koppelwirkungsgrad erreicht wird. Dazu werden die Bauelemente 9, 10 zunächst einzeln auf verschiedenen Trägerkörpern 5, 6 befestigt, z.B. durch Kleben und/oder eine metallische Gefügeverbindung. Mit dem Begriff "metallische Gefügeverbindung" werden im Rahmen dieser Erfindung die Verbindungsverfahren elektrisches und/oder thermisches Schweissen, Löten sowie Bonden erfasst. Dabei ist eine Vorjustierung möglich z.B. mit Hilfe von Vertiefungen, die in die Trägerkörper eingeprägt sind. Die Trägerkörper 5, 6 besitzen ausserdem ebene Flächen 7,8 die eine hochgenaue optische Justierung der Bauelemente 9, 10 zueinander ermöglichen. In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ist die ebene Fläche 7 des Trägerkörpers 5 im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Lichtwellenleiters 10 angeordnet, während die ebene Fläche 8 des Trägerkörpers 6 im wesentlichen parallel zur Längsachse des Lichtwellenleiters 10 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäss FIG. 2 ist dagegen eine umgekehrte Anordnung der ebenen Flächen 7, 8 vorhanden. Die optischen Bauelemente 9, 10 werden nun dadurch zueinander justiert, dass die zugehörigen Trägerkörper 5, 6 mit ihren ebenen Flächen 7, 8 auf einer ebenen ersten Fläche 2sowie einer ebenen zweiten Fläche 3 eines Grundkörpers 1 verschoben werden. Anschliessend werden Trägerkörper und Grundkörper durch elektrisches Widerstandsschweissen, Löten oder Bonden miteinander verbunden. Dazu ist es zweckmässig, auf den ebenen Flächen 2 und/oder 3 und/oder 7 und/oder 8 sogenannte Verbindungswarzen 11 auszubilden. Dieses sind Erhebungen von ungefähr lmm Durchmesser und ungefähr 0,lamm Dicke. Diese Verbindungswarzen werden zweckmässigerweise durch einen mechanischen Prägevorgang aus den entsprechenden ebenen Flächen erzeugt. Die Verbindungswarzen 11 bewirken, dass eine feste Verbindung an genau bestimmbaren Stellen zustande kommt. Es ist weiterhin zweckmässig, auf den ebenen Flächen 2 und/oder 3 und/oder 7 und/oder 8 zumindest im Bereich der Verbindungswarzen 11 auf dem Grundkörper 1 und/oder den Trägerkörpern 5, 6 zunächst eine elektrisch schlecht leitende Widerstandsschicht abzuscheiden. Diese enthält z.B. die Metalle Chrom und/ oder Nickel und besitzt eine Dicke von ungefähr 10m bis 20po. Auf die Widerstandsschicht wird anschliessend eine Verbindungsschicht aufgebracht, die z.B. die Metalle Gold und/oder Nickel enthält. Wird zum Verbinden der Trägerkörper 5, 6 an den Grundkörper 1 das elektrische Widerstandsschweissen gewählt, so wird durch diese Schichtenfolge erreich, dass bei elektrisch gut leitenden Grund- sowie Trägerkörpern, die z.B. aus Kupfer bestehen, lediglich im Bereich der Verbindungs warzen 11 eine feste Verbindung entsteht. Dadurch werden inabesondere mechanische Verzüge des Grundkörpers und/oder der Trägerkörper vermieden. Es ist vorteilhaft, den erwähnten Justiervorgang dort zu beginnen, wo die grössten Abweichungen zulässig sind. Bei einer Anordnung gemäss FIG. 1 wird dazu zunächst der Trägerkörper 6 - mit dem darauf befestigten Halbleiterlaser 9 - in z-Richtung auf der zweiten Fläche 3 verschoben, justiert und befestigt. Denn in z-Richtung ist die eingangs erwähnte relativ grosse Toleranz von lum bis 3pm zulässig. Anschliessend wird der Trägerkörper 5 - mit dem darauf befestigten Lichtwellenleiter 10 - in x, y-Richtungen auf der ersten Fläche 2 verschoben, justiert und befestigt. Dabei ist die eingangs erwähnte relativ kleine Toleranz von O,1pm bis 0,Sum zulässig. Zur sehr genauen Justierung der Anordnung ist es möglich, während des Justiervorganges Licht aus dem Halbleiterlaser 9 in den Lichtwellenleiter 10 einzukoppeln und dadurch die Anordnung so zu justieren, dass ein $rölEmöglicher optischer Koppelwirkungsgrad erreicht wird. Bei der Anordnung gemäss FIG. 2 wird der Justiervorgang in einer entsprechenden Weise durchgeführt. Für eine kostengünstige Massenproduktion ist es vorteilhaft, Grundkörper sowie Trägerkörper zunächst als gleichartige Körper auszubilden, z.B. als Kupfer-Quader mit einer Länge von ungefähr 6mm, einer Breite von ungefähr 4mm sowie einer Höhe von ungefähr 4mm. Aus diesen Quadern werden dann durch mechanische Prägevorgänge die ebenen Flächen mit den Verbindungswarzen erzeugt sowie Nuten und/oder Vertiefungen für eine Vorjustierung der optischen Bauelemente. Widerstandsschicht sowie Verbindungsschicht werden beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum und/oder galvanisch aufgebracht. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sinngemäss auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es möglich, als optische Bauelemente Linsen und/oder Filter zu verwenden und diese mit Hilfe der Trägerkörper und Grundkörper zueinander zu justieren und zu befestigen.

Claims: Method for the coupling of optical and/or electro-optical components (9, 10), in which the components are initially individually fastened on carrier bodies (5, 6) and are displaced by means of these relative to one another and to a base body (1) along two planar surfaces (2, 3), which include an angle of substantially 90°, and are subsequently aligned relative to one another, and in which the two carrier bodies are fastened in their relative locations, after displacement into an end position by fixed connections between the mutually opposite planar surfaces of the carrier bodies and of the base body, characterised thereby that connecting protrusions (11) are created on the planar surfaces of the carrier bodies and/or of the base body and that the fixed connections are produced as metallic structure connections only in the region of the connecting protrusions. Method for the coupling of components according to claim 1, characterised thereby that an electric resistance welding is used for the metallic structure welding, that the base body (1) as well as the carrier bodies (5, 6) consist of a material with good electrical conductivity and that initially a resistance layer of low electrical conductivity is brought onto the base body (1) and/or the carrier bodies (5, 6) at least at the places to be connected, which layer is covered by a connecting layer. Method for the coupling of components according to claim 2, characterised thereby, that a material containing copper is selected for the material with good conductivity, that a material containing nickel and/or chromium is selected for the resistance layer and that the connecting layer contains gold. Method for the coupling of components according to one of the preceding claims, characterised thereby that a thermal welding and/or soldering and/or bonding is used for the metallic structure connection. Method for the coupling of components according to one of the preceding claims, characterised thereby that at least one of the components (9; 10) is fastened on one of the carrier bodies (5, 6) by a metallic structure connection. Arrangement for the carrying out of the method according to one of the preceding claims, characterised thereby that present on the mutually opposite planar surfaces of the carrier bodies and/or of the base body are several connecting protrusions projecting from the surfaces. Arrangements according to claim 6 when dependent on claim 2, characterised thereby that at least the connecting protrusions (11) are covered by the resistance layer and the connecting layer. Arrangement according to claim 6 or claim 7, characterised thereby that the optical components to be coupled consist of a light wave conductor as well as a semiconductor component. Arrangement according to claim 8, characterised thereby that the light wave conductor is constructed as a mono-mode light wave condcutor and that the semiconductor component contains an electro-optical transmitter and/or an electro-optical receiver. Arrangement according to one of the claims 6 to 9, characterised thereby that at least the connecting protrusions (11) and/or the planar surfaces (2, 3, 7, 8) are produced by a stamping process.

Inventors: PFEIFFER, EUGEN, ING. (GRAD.), STAUDIGEL, LOTHAR, ING. (GRAD.), WEIDEL, EDGAR, DIPL.-PHYS.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1985
Main classification: G02B6
IPC codes: G02B6