FASER-CHIP-JUSTAGEEINHEITEN für die Optoelektronik

FASER-CHIP-JUSTAGEEINHEITEN
für die Optoelektronik
U. H. P. Fischer, K. Peters, D. Pech, Th. Eckhardt
Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechik Berlin GmbH
Einsteinufer 37 , 10587 Berlin
Tel: 030 31002-215
e-mail: [email protected]
http://www.hhi.de
Der kostengünstige Aufbau von optischen und optoelektronischen Komponenten und
insbesondere deren Kopplung mit Lichtwellenleitern stellen zur Zeit noch ein großes Problem
dar. Der augenblickliche Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 70% der
Kosten eines optoelektronischen Moduls auf die Gehäusung einschließlich der arbeitsintensiven
Faser-Chip-Kopplung entfallen.
Um die Faser-Chip-Kopplung zu vereinfachen und den Arbeitsaufwand zu verringern, ist diese
hier beschriebene Einrichtung entwickelt worden. Mit deren Hilfe können mikrooptische Teile
wie z.B. Laserchips, Glasfasern oder andere auch mechanische, optische oder elektronische
Mikrosystembauteile mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit justiert und plaziert werden.
Im speziellen können mit den hier vorgestellten Verfahren optische Glasfasern vor Laserdioden
justiert und daraufhin im Gehäuse fixiert werden. Es handelt sich um eine Verbundlösung von
Gehäusemodul und zugehöriger Justagevorrichtung, die für den Laborbedarf oder für
Kleinserien hervorragend geeignet ist.
Ziel
Ziel der Vorrichtung war es, bei geringstmöglichen optischen Verlusten (max 3dB) die Glasfaser
vor dem Laser zu justieren und fixieren. Auf Grund der hohen Ansprüche an die optische
Kopplung sollte die Justiergenauigkeit besser als 0,1µm und die Fixierung der Faser ±0,3µm
sein. Spielfreiheit in den vier Freiheitsgraden x,y,z und Θ ist bei der Justage sehr wichtig, was
mit den hier verwendeten Einheiten der PI GmbH erreicht wird. Zugleich war es von großer
Bedeutung, einen mechanisch robusten Aufbau zu schaffen, der Transporte der Module ohne
optische Zusatzverluste verkraftet und ein leichtes Handling beim optomechanischen Aufbau
gewährleistet.
Funktionsprinzip
Die Koppelvorrichtung (siehe Abb. 1) eignet sich für die einseitige und beidseitige Justage von
spitz zulaufenden und dadurch mit Mikrolinsen versehenen Glasfasern (sog. Taper, Abb. 2) an
lnP- und GaAs-Chips in Kleinserien. Eine Glasfaser wird in einem Metallröhrchen verlötet oder
verklebt. Dann wird das Röhrchen und damit mittelbar die Glasfaserspitze durch zwei senkrecht
zueinander stehende Justierstifte in x- bzw. y-Richtung positioniert. Zusätzlich ist das
eingespannte Röhrchen mit der Glasfaser auch in z-Richtung verschiebbar. Die Faserspitze
kann in den drei kartesischen Freiheitsgraden (x,y,z) justiert werden. Zusätzlich kann eine
Drehung der gesamten Faser um die Längsachse (θ) durchgeführt werden. Die Fixierung in der
optimalen Position wird durch Verschraubung oder Verschweißung der Justierstifte hergestellt.
Die Vorrichtung wurde 1998 patentiert unter den Kennziffern DE 19536 185.7 und DE 19536
173.7.
Peltierkühler
Koppelbank
Glasfaser
Drehwinkel Θ
Chip mit Träger
Röhrchen mit
getaperter Faser
Justierstifte für x
und y-Verstellung
Abb. 1: Funktionsprinzip der Faser-Chipkopplung
2Abb. 2: Justierter Fasertaper vor dem Wellenleiter des optoelektronischen Chips
Moduleigenschaften
Das Koppelmodul ist ein temperaturregelbares Modul (siehe Abb. 3) für die optische Kopplung
von Fasern mit optoelektronischen Komponenten, wie z. B. Halbleiterlaserverstärker,
Laserdioden, opt. Modulatoren etc.. Es ist geeignet für Kleinserienfertigung und in erster Linie
für den Laboreinsatz gedacht. Die optischen Koppelverluste liegen typisch bei 3dB (±1dB). Zur
Kopplung eines Chips ist die dazugehörige Justageeinheit (Abb. 4) erforderlich. Dabei erfolgt
die Justage grob mit einer Mikrometerschraube und fein per Piezoversteller mit spielfreier SubMikrometer-Genauigkeit.
Es
können
Monomodefasern
und
insbesondere
auch
polarisationserhaltende (z.B. Panda-) Fasern mit einer Drehwinkelgenauigkeit von 0.5°
gekoppelt werden.
Modulspecs
- Zweiseitiger Faseranschluß für optoelektronischen Komponenten
- HF-tauglich von DC bis über 45 GHz
- Optische Koppelverluste < 3dB
- Temperaturstabilisierung
- Umgebungstemperatur: von 15° C bis 40° C
- Gehäuse: 57 mm x 33 mm x 23 mm.
3
Abb. 3: Laserverstärkermodul mit zwei opt.Eingängen Abb. 4: Justageeinheit mit eingesetztem Koppelmodul
Mikrometer-Justageeinheit für Faser-Chip-Koppelmodule
- Faserjustage in drei Achsen und einer Drehrichtung
- Mikrometerschraube mit zusätzlichem Piezoantrieb
- Einstellgenauigkeit: x,y,z: besser 0,5 µm; Winkel θ: besser 0.5°
- Fasern mit opt. Steckern verwendbar
- Zur Justage getaperte r Fasern vor Laserchips geeignet
- Polarisationserhaltende Fasern verwendbar
- Justage bei aktiv betriebenem Chip
- Maße: ca. 250 mm x 120 mm x 120 mm.
Zum einfachen manuellen Einstellen der beschriebenen Koppelvorrichtung dient eine passende
Justierbank (Abb. 4) als wiederverwendbares Werkzeug . Mit drei PiezoMike Hybridantrieben
des Typs P853.00 und P854.00 von PI wird die Faser in x-, y- und z-Richtung mit SubMikrometer-Auflösung positioniert und anschließend in optimaler Koppelposition fixiert. Für
polarisationserhaltende Fasern kann zusätzlich der axiale Drehwinkel der Faser auf 0.5° genau
justiert werden. Zur Beobachtung des Koppelprozesses sollte die Justageeinheit mit einem
optimal angepaßten Stereomikroskop mit großem Arbeitsabstand ausgerüstet werden (Abb. 5).
Die Entscheidung für PI-PiezoMike Hybridantriebe wurde getroffen, da diese sehr schmal in der
Bauform ausfallen, der Stellweg ausreichen groß ist und die Auflösung/Stellgenauigkeit die
geforderten Daten hervorragend erfüllt. Die dazugehörige modulare Elektronik bietet sowohl für
den manuellen, als auch für den rechnergesteuerten Betrieb alle Voraussetzungen.
Abb. 5: Arbeitsplatz zur Faser-Chip-Justage
Resumee
Es konnten mit den hier verwendeten Piezopositionierern Justiergenauigkeiten von besser als
0,1µm ohne Hysterese erreicht werden. Auch die Fixierung der Faser mit weniger als ±0,3µm
Ablage gegenüber der optimalen Stellposition zeigt sich in der Erreichung hervorragender
geringer Dämpfungswerte (3dB) in der Faser-Chip-Kopplung. Die Positioniergenauigkeit
ungeregelter Piezos ist in diesem Falle voll ausreichend.
Die optoelektronischen Module sind optimal geeignet zum Aufbau von diversen OE-ICs in
Kleinserien. Die Module ermöglichen beidseitigen Faseranschluß, sind temperaturstabilierbar,
erreichen langzeitstabile Koppelwerte von 3dB und können bis zu 45GHz moduliert werden.
Sowohl die Justierbank als auch die kompletten Gehäusemodule inkl. der optischen
Koppelvorrichtung werden im Heinrich-Hertz-Institut hergestellt und können von dort bezogen
werden.
Die Arbeiten wurden vom Land Berlin und dem Bundesminister für Bildung, Wissenschaft,
Forschung und Technologie gefördert.