способ изготовления оптического передающего модуля

Формула изобретения

1. Способ изготовления оптического передающего модуля, включающий сборку лазерного диода, в процессе которой устанавливают и закрепляют полосковый одномодовый инжекционный лазер на монтажной поверхности монтажной пластины, измеряют угловую расходимость 2_II, рад, в горизонтальной плоскости и определяют радиус используемой цилиндрической линзы из условия, по которому абсолютная величина произведения угловой расходимости 2_II, рад, излучения лазерного диода в горизонтальной плоскости по уровню 0,5 и радиуса R, мкм, цилиндрической линзы удовлетворяет | 2_II2R| 2, выполнение по меньшей мере двух элементов крепления с параллельными плоскими торцевыми поверхностями и в каждом из них формирование отверстия с диаметром по любому его поперечному сечению, превышающим апертуру пучка излучения, причем материалы элементов крепления и цилиндрической линзы выбирают с температурными коэффициентами линейного расширения, равными или отличными в пределах, не превышающих 1%, закрепление с помощью компаунда оптических элементов, по крайней мере цилиндрической линзы и градана, в элементах крепления, размещение оптических элементов в элементах крепления вдоль оптической оси модуля, перемещение линзы относительно активного элемента, устанавливая ее так, что фокус линзы находится на оптической оси модуля, а расстояние от центра линзы до активной площади выбирают не более фокусного, закрепление с помощью компаунда входной торцевой поверхности элемента крепления с цилиндрической линзой на монтажной пластине лазерного диода, перемещение градана вдоль оптической оси модуля, помещение его входного торца на заданном расстоянии от цилиндрической линзы, совмещение его оси с оптической осью модуля, закрепление с помощью компаунда выходной торцевой поверхности элемента крепления с цилиндрической линзой относительно входной торцевой поверхности элемента крепления с граданом, помещение лазерного диода, соединенного с элементами крепления с оптическими элементами в корпус и закрепление с помощью компаунда свободных боковых сторон элементов крепления с внутренними стенками корпуса, выполнение узла вывода излучения и герметизации корпуса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для лазерного диода с излучением, характеризуемым угловой расходимостью 2_II, рад, в горизонтальной плоскости по уровню 0,5, находящейся в диапазоне от 0,1 рад до 0,2 рад, цилиндрическую линзу подбирают диаметром не более 10 мкм.

3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что цилиндрическую линзу выполняют из кварца.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что элементы крепления выполняют из кварца.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что между первым и упомянутым другим элементами крепления устанавливают по меньшей мере еще один элемент крепления.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что выходную торцевую поверхность каждого элемента крепления, помещенного ближе к инжекционному лазеру, закрепляют относительно входной торцевой поверхности последующего элемента крепления, причем упомянутые выходная и входная торцевые поверхности параллельны друг другу.

7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что в отверстии одного из элементов крепления закрепляют диафрагму и указанный элемент крепления устанавливают между элементом крепления с цилиндрической линзой и элементом крепления с граданом, причем ось диафрагмы совмещают с оптической осью модуля.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что градан закрепляют в отверстиях нескольких элементов крепления.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что крышку герметично соединяют с корпусом.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в отверстии по меньшей мере одного из элементов крепления закрепляют оптическое волокно и указанный элемент крепления устанавливают после элемента крепления с граданом, причем входной торец оптического волокна размещают на заданном расстоянии от выходного торца градана, а ось оптического волокна совмещают с оптической осью модуля.

11. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что выполняют окно для вывода излучения либо в корпусе, либо в крышке.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что закрепляют втулку для вывода оптического волокна либо в корпусе, либо в крышке.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к полупроводниковой технологии создания квантовой электронной техники, а именно к способам получения оптических передающих модулей с инжекционным лазером как источником излучения.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время известны различные способы изготовления передающих оптических модулей (далее модуль) [1-3], в которых инжекционный излучатель (например, лазер) и оптические элементы располагают на одной или нескольких монтажных поверхностях, позиционируют лазер и оптические элементы относительно друг друга и закрепляют их на едином основании корпуса. Крепление оптических элементов выполняют, используя различные клеевые композиции. Для надежности юстировки и крепления в монтажных поверхностях выполняют, например, V-образные канавки.

Известный способ изготовления модуля [4] включает помещение инжекционного лазера на монтажную поверхность контактной пластины, размещенной на микрохолодильнике, закрепление на монтажных поверхностях монтажных пластин оптических элементов: сферической линзы, оптического изолятора, градана в углублениях, повторяющих конфигурацию закрепляемых оптических элементов, перемещение инжекционного лазера и оптических элементов относительно друг друга для закрепления их в положении максимальной оптической связи. В [4] удалось достигнуть весьма малых изменений выходной мощности при механо-климатических нагрузках, но достигается это высокоточным изготовлением полосковых углублений с жесткими допусками по размеру и высокоточным изготовлением большого числа деталей, имеющих близкие температурные коэффициенты линейного расширения (далее ТКЛР). Такой способ весьма сложен для практической реализации и дорогостоящий.

В известном передающем оптическом модуле [5] в полупроводниковый элемент крепления вклеена коллимирующая линза на расстоянии 5...200 мкм от активной площадки инжекционного излучателя. Полупроводниковый элемент крепления соединен с помощью клеевой композиции с монтажной поверхностью инжекционного излучателя.

Наиболее близким по решению поставленной задачи и технической сущности предложения является способ изготовления известного модуля [6], включающий инжекционный излучающий диод, активный элемент которого устанавливают и закрепляют на монтажной поверхности монтажной пластины, оптические элементы закрепляют в металлических элементах крепления, последовательно позиционируют относительно излучающей области на активной площадке активного элемента, соединяют элементы крепления между собой с помощью резьбовых соединений. Далее элементы крепления соединяют с корпусом. Различие в ТКЛР различных материалов большого числа деталей (например, элементов крепления, оптических элементов, корпуса и т.д.) и их соединений при механо-климатических нагрузках приводит к разъюстировке и нестабильности получаемой выходной мощности модуля.

В тоже время до сих пор именно отсутствие надежности крепления и стабильности положения входящих оптических и активных элементов (одних по отношению к другим) приводит к невозможности получения требуемых параметров при работе прибора.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача изготовления оптического передающего модуля с повышенной стабилизацией его выходного излучения при сохранении дифракционной расходимости излучения лазерного диода с практически аксиально симметричной формой выходного пучка и с практическим отсутствием астигматизма, в том числе и при механо-климатических воздействиях, при значительном упрощении процессов юстировки оптических элементов и сборки изделия вследствие упрощения конструкции модуля в целом, а также снижении затрат на производство модуля.

Поставленная техническая задача решается тем, что предложен способ изготовления оптического передающего модуля, который включает следующее: cборку лазерного диода, в процессе которой устанавливают и закрепляют полосковый одномодовый инжекционный лазер на монтажной поверхности монтажной пластины, измеряют угловую расходимость , рад, в горизонтальной плоскости и определяют радиус используемой цилиндрической линзы из условия, по которому абсолютная величина произведения угловой расходимости , рад, излучения лазерного диода в горизонтальной плоскости по уровню 0,5 и радиуса R, мкм, цилиндрической линзы удовлетворяет ; выполнение по меньшей мере двух элементов крепления с параллельными плоскими торцевыми поверхностями и в каждом из них формирование отверстия с диаметром по любому его поперечному сечению, превышающим апертуру пучка излучения, причем материалы элементов крепления и цилиндрической линзы выбирают с температурными коэффициентами линейного расширения, равными или отличными в пределах, не превышающих 1%; закрепление с помощью компаунда оптических элементов, по крайней мере цилиндрической линзы и градана, в элементах крепления; размещение оптических элементов в элементах крепления вдоль оптической оси модуля; перемещение линзы относительно активного элемента, устанавливая ее так, что фокус линзы находится на оптической оси модуля, а расстояние от центра линзы до активной площадки выбирают не более фокусного; закрепление с помощью компаунда входной торцевой поверхности элемента крепления с цилиндрической линзой на монтажной пластине лазерного диода; перемещение градана вдоль оптической оси модуля и совмещение его оси с оптической осью модуля, при этом помещают входной торец градана на заданном расстоянии от цилиндрической линзы и закрепляют с помощью компаунда выходную торцевую поверхность элемента крепления с цилиндрической линзой относительно входной торцевой поверхности элемента крепления с граданом; помещение лазерного диода, соединенного с элементами крепления, с оптическими элементами в корпус и закрепление с помощью компаунда свободных боковых сторон элементов крепления на внутренних стенках корпуса. Имеется узел вывода излучения. Корпус герметизируют.

Под "оптической осью оптического передающего модуля" (далее модуль) понимается оптическая ось распространения лазерного пучка, лежащая в плоскости р-n перехода инжекционного лазера. Упомянутую плоскость иначе называют "горизонтальной плоскостью" или "плоскостью, параллельной излучающей полоске инжекционного лазера". "Вертикальной плоскостью" называется плоскость, перпендикулярная плоскости р-n перехода. Под средством крепления понимаются элементы крепления, соединенные друг с другом компаундом. Под крепежной областью понимается средство крепления и компаунд (помещенный в местах закрепления оптических элементов в элементах крепления, в местах соединения элементов крепления друг с другом), соединяющий наружные боковые стороны средства крепления с внутренними боковыми стенками корпуса. Понятия "компаунд", "клеевая композиция" и "клеевое вещество" равнозначны. Понятие "цилиндрическая линза" использовано для обозначения цилиндрической микролинзы, имеющей радиус, измеряемый в микронах. Понятие "градан" использовано для обозначения градиентной линзы. Понятие "узел вывода излучения" обозначает выполненные либо в крышке корпуса, либо в его стенке и т.д. либо окно для вывода излучения, либо втулку с оптическим волокном; возможны другие варианты выполнения узла вывода излучения.

Отличием являются неочевидное выявленное соотношение между величиной угловой расходимости в горизонтальной плоскости излучения одномодового полоскового инжекционного лазера и радиусом выбранной цилиндрической линзы, ее расположением, а также ее закрепление и закрепление других оптических элементов в неочевидных элементах крепления, выбор материалов цилиндрической линзы и элементов крепления (в отношении значений температурных коэффициентов линейного расширения (далее ТКЛР) материалов), неочевидные предложенные средство крепления и созданная единая крепежная область между оптическими элементами и металлическим или керамическим корпусом. Именно гибкое конструктивное решение предложенных единообразных элементов крепления и всего средства крепления, а также использование единообразного крепежного материала (компаунда) позволили проводить удобную и быструю сборку модуля. (При выполнении практически одинаковых элементов крепления с параллельными торцевыми поверхностями, перпендикулярными образующим, и при размещении их так, что их торцевые поверхности параллельны оптической оси модуля и центрированы, юстировать оптические элементы можно преимущественно по оптической оси модуля.) Стало возможным в единой крепежной области надежно закреплять оптические элементы различных размеров (габаритов) относительно излучающей полоски инжекционного лазера. Все это позволило при механо-климатических воздействиях повысить стабильность мощности выходного излучения модуля, сохранить дифракционную расходимость излучения инжекционного лазера, повысить стабильность пучка создаваемой аксиально симметричной формы при практическом отсутствии астигматизма. Предложенная крепежная область заполняет почти всю полость корпуса (кроме области распространения излучения) и имеет контакт с внутренними боковыми стенками корпуса в каждой точке, что обеспечивает равномерность передачи внешних напряжений и приводит при механо-климатических воздействиях к стабилизации положений оптических элементов относительно излучающей полоски на активной площадке инжекционного лазера.

Поставленная техническая задача решается тем, что цилиндрическую линзу выполняют из кварца и элементы крепления выполняют из кварца. Это гарантирует равенство ТКЛР.

Поставленная техническая задача решается также тем, что если лазерный диод имеет излучение со значениями угловой расходимости , рад, в горизонтальной плоскости по уровню 0,5, находящимися в диапазоне от 0,1 рад до 0,2 рад, то цилиндрическую линзу подбирают диаметром не более 10 мкм. Наилучшие результаты получены при диаметрах цилиндрической линзы 10 мкм. Нижний предел ограничивается требованиями получения дифракционной расходимости пучка излучения и технологическими возможностями изготовления и применения цилиндрических линз малого диаметра.

Поставленная техническая задача решается тем, что между первым и упомянутым другим элементами крепления может быть установлен по крайней мере один элемент крепления. Такие элементы крепления могут быть использованы для соединения на различных требуемых расстояниях цилиндрической микролинзы и градана, введения каких-либо дополнительных оптических или других элементов.

При этом выходную торцевую поверхность каждого элемента крепления, помещенного ближе к инжекционному лазеру, закрепляют относительно входной торцевой поверхности последующего элемента крепления, причем упомянутые выходная и входная торцевые поверхности параллельны друг другу.

В одном случае в отверстии одного из элементов крепления может быть закреплена диафрагма и указанный элемент крепления устанавливают между элементом крепления с цилиндрической линзой и элементом крепления с граданом так, что ось диафрагмы совмещают с оптической осью модуля.

В другом случае в отверстии по крайней мере одного из элементов крепления закреплено оптическое волокно и указанный элемент крепления устанавливают после элемента крепления с граданом, причем входной торец оптического волокна размещен на заданном расстоянии от выходного торца градана, а ось оптического волокна совмещают с оптической осью модуля.

Кроме того, градан закрепляют в отверстиях нескольких элементов крепления, что также приводит к повышению надежности и стабилизации выходной мощности.

В каких-либо модификациях выполнения может иметься крышка, герметично соединенная с корпусом.

Узел вывода излучения выполняют как в крышке, так и непосредственно в корпусе. В одном случае предложено окно для вывода излучения закреплять в крышке корпуса, в другом случае - в части корпуса. При выводе излучения через оптическое волокно втулку для вывода оптического волокна закрепляют либо непосредственно в части корпуса, либо в крышке корпуса. При этом крышку или упомянутую часть корпуса располагают напротив выходного торца градана или какого-либо другого выходного оптического элемента.

В основу второго объекта изобретения поставлена задача создания способа изготовления оптического модуля с повышенной стабилизацией передачи излучения внутри модуля, в том числе и при механо-климатических воздействиях, при значительном упрощении процессов юстировки оптических элементов и сборки изделия вследствие упрощения конструкции модуля в целом, а также снижении затрат на производство модуля.

Поставленная техническая задача решается тем, что предложен способ изготовления оптического модуля, который включает следующее: cборку оптического диода, в процессе которой устанавливают и закрепляют активный элемент на монтажной поверхности монтажной пластины; выполнение по крайней мере двух элементов крепления с параллельными плоскими торцевыми поверхностями и в каждом из них формируют отверстия с диаметром по любому его поперечному сечению, по крайней мере, превышающим апертуру пучка излучения; закрепление с помощью компаунда оптических элементов, одним из которых является линза, в элементах крепления; размещение оптических элементов в элементах крепления вдоль оптической оси модуля; позиционирование оптического элемента, ближайшего к активной площадке, в первом элементе крепления относительно активного элемента, устанавливая его в положении наибольшей передачи излучения; закрепление с помощью компаунда входной торцевой поверхности первого элемента крепления на монтажной пластине активного оптического элемента; последовательное позиционирование последующих оптических элементов, вклеенных в соответствующие элементы крепления, последовательно устанавливая их в положении наибольшей передачи излучения на заданном расстоянии друг от друга, чередующееся с последовательным закреплением с помощью компаунда выходной торцевой поверхности соответствующего предшествующего элемента крепления относительно входной торцевой поверхности соответствующего последующего элемента крепления; помещение оптического диода, соединенного с элементами крепления с оптическими элементами в корпус и закрепление с помощью компаунда свободных боковых сторон элементов крепления с внутренними стенками корпуса. Имеется узел вывода излучения. Корпус герметизируют.

Поставленная техническая задача решается тем, что линзу и элементы крепления выполняют из кварца. Это гарантирует равенство ТКЛР.

Поставленная техническая задача решается тем, что в качестве оптического диода выбирают или фотодиод, или светодиод, или лазерный диод.

Поставленная техническая задача решается тем, что в качестве линзы выбирают или сферическую линзу, или цилиндрическую линзу, или градиентную линзу при различных размерах линз, в том числе микролинз.

Поставленная техническая задача решается тем, что материалы элементов крепления и линзы, помещаемой вблизи активного элемента, выбирают с температурными коэффициентами линейного расширения, равными или отличными в пределах, не превышающих 1%.

Поставленная техническая задача решается тем, что расстояние от центра линзы, помещаемой вблизи активного элемента, до его активной площадки выбирают не более фокусного.

Поставленная техническая задача решается тем, что между первым и упомянутым другим элементами крепления может быть установлен по крайней мере один элемент крепления. Такие элементы крепления могут быть использованы для соединения на различных требуемых расстояниях оптических элементов, введения каких-либо дополнительных оптических или других элементов.

При этом выходную торцевую поверхность каждого элемента крепления, помещенного ближе к активному элементу, закрепляют относительно входной торцевой поверхности последующего элемента крепления, причем упомянутые выходная и входная торцевые поверхности параллельны друг другу.

Предложено оптический элемент закреплять в отверстиях нескольких элементов крепления, что также приводит к повышению надежности и стабилизации выходной мощности при удлиненном оптическом элементе.

В каких-либо модификациях выполнения может иметься крышка, герметично соединенная с корпусом.

Узел вывода излучения выполняют как в крышке, так и непосредственно в корпусе. В одном случае предложено окно для распространения излучения закреплять в крышке корпуса, в другом случае - в части корпуса. При выводе излучения через оптическое волокно втулку для оптического волокна закрепляют либо непосредственно в части корпуса, либо в крышке корпуса. При этом крышку или упомянутую часть корпуса располагают напротив выходного торца градана или какого-либо другого выходного оптического элемента.

Отличием данного второго варианта являются закрепление оптических элементов в неочевидных элементах крепления, неочевидные предложенные средство крепления и единая крепежная область между оптическими элементами и металлическим или керамическим корпусом. Именно гибкое конструктивное решение предложенных единообразных элементов крепления и всего средства крепления, а также использование единообразного крепежного материала (компаунда) позволили проводить удобную и быструю сборку модуля.

Сущностью настоящего изобретения является оригинальный выбор отличительных существенных признаков, которые не являются очевидными.

Неочевидность состоит в необычном выявленном соотношении между величиной угловой расходимости в горизонтальной плоскости излучения одномодового полоскового инжекционного лазера и радиусом цилиндрической линзы, надежно закрепляемой наряду с другими оптическими элементами в предложенной оригинальной однородной конструкции средства крепления, и выборе материалов элементов крепления и цилиндрической линзы, необычной предложенной единой крепежной области, ее практически полном контакте с внутренними боковыми стенками корпуса. Это приводит при механо-климатических воздействиях к стабилизации выходного излучения модуля при сохранении его дифракционной расходимости и аксиально симметричной формы пучка, практическому отсутствию астигматизма. Получена стабилизация положений оптических элементов относительно излучающей полоски на активной площадке инжекционного лазера при механо-климатическом воздействии.

Совокупность существенных отличительных признаков предложенного модуля в соответствии с формулой изобретения определила его основные упомянутые достоинства.

Техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении лазерных диодов и модулей. Предложенное настоящим изобретением устройство применимо, по крайней мере, для всех известных в настоящее время диапазонов длин волн лазерного излучения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично изображен продольный разрез оптического передающего модуля с выводом излучения через окно в крышке.

На фиг.2 схематично изображен продольный разрез оптического передающего модуля с выводом излучения через оптическое волокно.

На фиг.3 изображена оптическая схема микрообъектива оптического передающего модуля в плоскости, параллельной р-n переходу.

На фиг.4 изображена оптическая схема микрообъектива оптического передающего модуля в плоскости, перпендикулярной р-n переходу.

Варианты осуществления изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных исполнений со ссылками на фиг.1-4. Приведены примеры исполнения, позволившие получить лучшие результаты, но они не являются единственными.

Модуль, первая модификация которого изображена на фиг.1, состоит из металлического корпуса 1, имеющего основание 2, боковые стенки 3, из металлической крышки 4 с окном (стекло) 5 для вывода излучения. На внутренней части основания 2 устанавливали лазерный диод 6 с монтажной пластиной 7 из меди. На монтажной поверхности 8 монтажной пластины 7 закрепляли инжекционный лазер 9. В данном конкретном случае в качестве источника излучения использовали лазерный диод с длиной волны излучения , равной 820 нм, угловой расходимостью 2 в вертикальной плоскости, равной 45^o, и угловой расходимостью в горизонтальной плоскости, равной 6^o, т.е.0,1 рад. По предложенному условию



определяли радиус R цилиндрической линзы 10, равный 10 мкм. В данном конкретном примере исполнения цилиндрическую линзу 10 выполняли из кварца.

Элементы крепления 11 в данном случае выполняли из кварца в виде практически одинаковых полых цилиндров, при этом их торцевые плоскости параллельны между собой и перпендикулярны образующим, как внутренним, так и наружным. Размещали их так, чтобы их торцевые поверхности были параллельны оптической оси модуля, элементы крепления центрировали, поэтому юстировать оптические элементы можно преимущественно по оптической оси модуля. Цилиндрическое отверстие каждого из элементов крепления 11 формировали диаметром по любому его поперечному сечению, по крайней мере, превышающим апертуру пучка излучения. Предусмотрено, что элементы крепления 11 должны последовательно соединяться параллельными торцевыми поверхностями. В данном случае при размещении элементов крепления 11 в модуле торцевые поверхности будут перпендикулярны оптической оси модуля, а образующие - параллельны ей. Возможны другие варианты выполнения элементов крепления 11.

В один из элементов крепления 11 вклеивали при помощи компаунда цилиндрическую микролинзу 10, выполненную в данном случае из кварца. В другой элемент крепления 11 вклеивали диафрагму 12 при помощи компаунда. В три элемента крепления 11, соединенные между собой при помощи компаунда, вклеивали градан 13. Везде, где использован компаунд (или иначе называемый "клеевой композицией" или "клеевым веществом"), образованы клеевые прослойки 14. При расположении оптических элементов 10 и 13 в модуле их оси помещали на оптической оси распространения пучка излучения лазера, т.е. на оптической оси модуля, лежащей в плоскости р-n перехода инжекционного лазера 9.

Входной торец элемента крепления 11 с цилиндрической линзой 10, установленного первым со стороны лазерного диода 6, скрепляли с монтажной пластиной 7 с помощью клеевой композиции, образующей клеевую прослойку 14. Одну из поперечных осей линзы 10 располагали на оптической оси модуля. При этом фокус цилиндрической линзы 10 находился на оптической оси модуля, а центр цилиндрической линзы 10 от активной площадки инжекционного лазера 9 - на расстоянии 20,2 мкм. В общем случае фокальная поверхность может располагаться как на активной площадке инжекционного лазера 9, так и внутри инжекционного лазера 9. Однако должно быть учтено требование сохранения дифракционной расходимости выходного пучка модуля и технологически допустимое расстояние между цилиндрической линзой 10 и активной площадкой инжекционного лазера 9.

Выходной торец первого элемента крепления 11 соединяли с помощью клеевой композиции с входным торцом следующего, второго элемента крепления 11 с диафрагмой 12 и ее устанавливали в модуле так, что ее ось совмещали с оптической осью модуля. Выходной торец второго элемента крепления 11 соединяли со свободным входным торцом элементов крепления 11 с граданом 13, размещая его ось по оптической оси модуля, а торец градана 13 на расстоянии порядка 5 мм от цилиндрической линзы 10.

Соединенные компаундом элементы крепления 11 образовывали средство крепления. Свободные наружные боковые поверхности средства крепления соединяли с помощью компаунда (область 14) с внутренними боковыми стенками корпуса, образуя единую крепежную область в корпусе модуля.

Корпус 1 закрывали герметично крышкой 4, в которой размещен узел вывода излучения - окно 5 для вывода излучения. Крышку 4 располагали напротив выходного торца градана. Между свободным выходным торцом градана 13 и крышкой 4 (окном для вывода излучения - узел вывода излучения) клеевая прослойка 14 отсутствует. Позиции 15-17 указывают на электрические выводы модуля.

Заметим, что узел вывода излучения может быть выполнен как в крышке 4 (как в данном конкретном примере исполнения), так и непосредственно в корпусе 1. Так, окно 5 для вывода излучения может быть закреплено в части корпуса 1, которая, также как крышка 4, расположена напротив выходного торца градана 13 или какого-либо другого выходного оптического элемента.

В другом примере конкретного исполнения передающий оптический модуль, вторая модификация которого изображена на Фиг.2, аналогичен рассмотренному с той разницей, что исключен элемент крепления 11 с диафрагмой 12, входной торец градана 13 размещен на расстоянии порядка 1,5 мкм от цилиндрической линзы 10 и введено оптическое волокно 18, закрепленное в двух элементах крепления 11. При юстировке ось оптического волокна устанавливали по оптической оси модуля, а входной торец размещали на расстоянии порядка 1,5 мкм от выходного торца градана 13. В крышке 4 корпуса 1 закрепляли втулку 19 для крепления оптического волокна 18, используемого в данной модификации для вывода излучения. Здесь втулка с оптическим волокном являются узлом вывода излучения. Также при выводе излучения через оптическое волокно 18 втулка 19 для закрепления и вывода оптического волокна 18 может быть закреплена непосредственно в корпусе 1 (при другой конструкции корпуса).

В обеих модификациях использованы цилиндрическая линза 10 вместо сферической и градан 13. Здесь использована известная возможность преобразования при помощи цилиндрической микролинзы 10 в сочетании с градиентной оптикой пучка излучения лазера 6 с высокой эллиптичностью в практически аксиально симметричный пучок, т.е. пучок с малой эллиптичностью.

Возможность получения пучка с круглым поперечным сечением определяется как диаметром D цилиндрической линзы 10, так и исходной угловой расходимостью в горизонтальной плоскости, параллельной р-n переходу. Ход лучей в горизонтальной и вертикальной плоскостях в модуле изображен на фиг.3 и 4. Следовательно, основное изменение пространственных параметров излучения лазерного диода 6 происходит в плоскости, перпендикулярной р-n переходу. Угловая расходимость излучения в плоскости, параллельной р-n переходу, практически не изменяется и определяется исходной угловой расходимостью излучения лазерного диода 6. Для выбранного лазерного диода 6 в таблице приведены экспериментальные значения угловой расходимости 2 в вертикальной плоскости в зависимости от диаметра цилиндрической линзы 10.

Следовательно, использование, по крайней мере, цилиндрической линзы 10 позволяет получать достаточно малую угловую расходимость 2 в плоскости, перпендикулярной р-n переходу. По предложенному условию при , равном 0,1 рад, радиус R цилиндрической линзы 10 должен быть равен 10 мкм, и нами в примере выбрана цилиндрическая линза диаметром D, равным 20 мкм. В соответствии с таблицей (см. строки 3 и 4) получим практически аксиально симметричный выходной пучок излучения рассматриваемого конкретного модуля. Нами определено, что при значениях угловой расходимости исходного излучения лазерного диода 6 в горизонтальной плоскости по уровню 0,5, находящихся в диапазоне от 0,1 до 0,2 рад (т.е. от 5,7 до 10^o), лучше всего использовать цилиндрические линзы 10 диаметром D, равным 25 - 10 мкм, которые позволят требуемым образом преобразовать излучение (см. таблицу). При малых значениях расходимости в горизонтальной плоскости возможно использование больших диаметров D цилиндрической линзы 10, но не целесообразно более 60 мкм.

Рекомендованные нами выбор размера цилиндрической линзы и ее расположение в зависимости от исходной угловой расходимости в горизонтальной плоскости выбранного лазерного диода и в связи этим выбор крепежной области позволяют сохранять дифракционную расходимость практически аксиально симметричного пучка выходного излучения модуля (с практическим отсутствием астигматизма) при механо-климатических нагрузках. В единой крепежной области все оптические элементы в равной степени подвержены механо-климатическим воздействиям и поэтому наблюдается стабилизация максимальной выходной мощности излучения модуля. Проведены механо-климатические испытания различных модификаций предложенного передающего оптического модуля, корпуса которых были выполнены из различных материалов. Оптические элементы, элементы крепления, компаунд имели различия ТКЛР используемых материалов до 20%, кроме ТКЛР материала элементов крепления и цилиндрической линзы, которые, как нами предложено, были выбраны или равными, или отличными в пределах, не превышающих 1%. Показано, что предложенный передающий оптический модуль обеспечивает в высокой степени стабильную выходную мощность излучения при достаточно высоких механо-климатических нагрузках.

Обычно для получения стабильной выходной мощности при механо-климатических воздействиях в известных устройствах используют конструкцию с прецизионными деталями и выполняют все элементы крепления оптических элементов и корпуса из одних и тех же материалов (см., например, [4, 5]). При сравнительных испытаниях передающих оптических модулей, при изготовлении которых использовано какое-либо другое средство крепления (см., например, [4, 5]), выяснено, что достигнуть стабильной передачи заданной мощности излучения при различиях ТКЛР используемых материалов более 5% не представляется возможным.

Предложенные определение вида цилиндрической линзы, средство крепления и крепежная область позволили ввести в градан и далее в оптическое волокно, при его наличии, максимальную выходную мощность при минимальных затратах на изготовление элементов крепления, средства крепления и их юстировку, сборку. При механо-климатических воздействиях получено повышение стабильности мощности выходного излучения модуля, сохранена исходная дифракционная расходимость излучения лазерного диода, повышена стабильность создаваемой аксиально симметричной формы пучка излучения при практическом отсутствии астигматизма.

Промышленная применимость

Предложенные передающие оптические модули используются в системах связи, являясь важной частью оптических коммуникационных систем, при создании лазерного технологического оборудования, медицинского оборудования, контрольно-измерительных устройств и т.д.

Источники информации

1. Патент США 4768199 (SIEMENS AG), 30.08.1988, 372/36, Н 01 S 3/19.

2. Патент США 4722586 (TEKTRONIX, INC.), 02.02.1988, 350/96.20, G 02 В 6/36.

3. Патент Франции 2658923 (TEKTRONIX, INC.), 12.04.1985, G 02 В 6/42.

4. Патент США 5113404 (AT&T BELL LABORATORIES), 12.05.1992, 372/36, Н 01 S 3/19.

5. Патент США 4653847 (MOTOROLA, INC.), 31.03.1987, 350/96.20, G 02 В 6/42.

6. "Laser Diode Module", Laser Focus World, October 1996, p.56.