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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterlasermodul
und insbesondere ein kastenförmiges Halbleiterlasermodul
für die Faseroptik-Kommunikation, der ein Peltier-Element
enthält.
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Ein Halbleiterlasermodul (der im folgenden als LD-Modul
bezeichnet wird) wird durch einstückiges Zusammenbauen eines
Halbleiterlasers und einer Licht nach außen leitenden Faser
erhalten und ist eine wesentliche Einrichtung bei der
Faseroptik-Kommunikationstechnik. Insbesondere da eine
Monomode-Faser (im nachfolgenden als SMF bezeichnet) verwendet
wird, wenn eine Faseroptik-Kommunikation hoher Leistung und
über lange Strecken durchgeführt werden soll, ist ein
LD-Modul mit einer SMF erforderlich (im nachfolgenden als
SMF-LD-Modul bezeichnet).
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Obwohl bisher verschiedene Typen von LD-Modulen entwickelt
und in die Praxis umgesetzt worden sind, hat das
beliebteste LD-Modul ein temperatursteuerndes Peltier-Element
eingebaut und ist in einem geschlossenen Gehäuse
zusammengebaut. Ein LD-Modul einer derartigen Form, wie in den
Figuren 1A und 1B gezeigt, wird von der Firma NEC-Corporation
hergestellt und ist im NEC-Technical-Report, Volume 38, Nr.
2/1985, Seite 84-89, beschrieben. Da das LD-Modul dieses
Typs an seinem Hauptkörper ein zweireihiges Steckergehäuse
(DIP) hat, wird er als ein DIP-Modul bezeichnet, und wird
von einem später beschriebenen Koaxial-Modul unterschieden.
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Dieses DIP-Modul hat wie im Folgenden beschrieben, viele
Vorteile.
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Erstens kann ein einzelnes Gehäuse gleichzeitig mit vielen
Elementen bestückt sein. Zusätzlich sind alle Elemente in
einem einzelnen Gehäuse als Ganzes mittels eines
Hybridgehäuses abgedichtet, d. h. ein einzelnes Element ist
nicht hermetisch verpackt. Wenn daher die Anzahl der in das
Gehäuse eingebauten Elemente erhöht wird, kann die Größe
des ganzen Moduls kompakt gemacht werden. Daher kann beim
DIP-Modul eine Vielzahl von Elementen in einem einzelnen
Gehäuse eingebaut werden, was bei einem Koaxial-Modul (der
später beschrieben wird) schwierig ist. Da in einem
derartigen DIP-Modul ein temperatur-steuerndes Peltier-Element
und ein temperatur-detektierender Thermistor eingebaut
sind, können Änderungen eines Schwellenstroms und der
externen Differentialmengeneffizienz infolge
Temperaturänderungen in einem Halbleiterlaser unterdrückt werden.
Zusätzlich wird davon ausgegangen, daß mit dem Ansteigen der
Modulations-Bitgeschwindigkeit eine Antriebsschaltung in die
Nähe des Halbleiterlasers mittels eines
Hybridpackverfahrens gepackt werden muß.
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Zweitens ist die Installation des DIP-Moduls einfach. Bei
dem DIP-Modul hat der Hauptkörper eines Gehäuses eine
Kastenform wie sie bei einer integrierten Schaltung
verwendet wird, und Leitungen sind regelmäßig angeordnet. Daher
kann das DIP-Modul leicht auf einer gedruckten Leiterplatte
montiert werden. Aus diesem Grund ist die Standardisierung
der Stiftanschlüsse beim DIP-Modul soweit fortgeschritten
wie dies bei integrierten Schaltungen der Fall ist. Obwohl
die DIP-Module auch im Ausland hergestellt und verwendet
werden, sind ihre Stiftanschlüsse und -größen nahezu
identisch. Aus diesem Grund muß selbst für unterschiedliche
Hersteller des DIP-Moduls die Konstruktion der gedruckten
Leiterplatte nicht geändert werden, wenn diese mit dem DIP-
Modul bestückt werden soll, was äußerst bequem ist. Der
später beschriebene Koaxial-Modul hat einen derartigen
Vorteil nicht.
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Ein Innenaufbau eines herkömmlichen DIP-Moduls wird im
einzelnen beschrieben.
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Die Fig. 1A und 1B zeigen den Innenaufbau eines
DIP-Moduls jeweils in schematischer Ansicht und teilweise im
Schnitt. Anzumerken ist, daß in den Fig. 1A und 1B
Teile, die für die Erläuterung nicht erforderlich sind,
weggelassen werden, und die Figuren schematische
Darstellungen sind. Wie aus den Fig. 1A und 1B zu sehen ist,
ist ein Halbleiterlaser 1 mittels eines Kühlkörpers 2 auf
einem Chipträger 3' und weiter zusammen mit einer
Überwachungsdiode 4 und einem Thermistorchip 5 auf einem Substrat
7' montiert. Das Substrat 7' ist auf einem Peltierelement 8
montiert, das an einem Gehäuse 9' befestigt ist. Der Träger
3' hat einen Faserhalteteil 3'' und am Faserhalteteil 3''
ist eine Quarzfaser 14' mittels eines Weichlötmittels 21
angelötet. Das distale Ende der Faser 14' ist sphärisch
geformt und die Seitenfläche ist metallbeschichtet. Jedes
Element innerhalb des Gehäuses 9' ist mittels eines
Verbindungsdrahtes 23 an eine Zuführung 22 angeschlossen. Die
Faser 14' ist außerhalb des Gehäuses 9' durch eine
Beschichtung 24, ein Zugelement 25 und eine Hülse 26 geschützt und
ist an einer Position, wo die Hülse 26 endet, durch einen
Metallzylinder 15' geschützt. Der metallbeschichtete Teil
der Faser 14' und der Zylinder 15' sind miteinander durch
Löten abgedichtet und der Zylinder 15' und ein vorstehender
Teil 11' sind ebenfalls gegeneinander durch Löten
abgedichtet. LD-Module dieser Art werden von vielen Firmen unter
Verwendung einer Multimode-Faser und einer Monomode-Faser
als Faser 14' hergestellt und in breitem Umfang in vielen
Ländern mit äußerster Zuverlässigkeit in der Praxis durch
die Anwender verwendet.
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Aus den folgenden Gründen ist es jedoch schwierig, den
Modul mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau herzustellen.
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Erstens ist es schwierig, die Faser 14' am Halteteil 3''
mittels Lot 21 festzulöten und daher erfordert dieser
Vorgang Fachkräfte. Diese Schwierigkeit tritt hauptsächlich
aus den folgenden Gründen auf:
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(1) Es ist schwierig, eine Faser mit sphärischem Ende
handzuhaben, da sie Zerstörung ausgesetzt ist.
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(2) Da eine Operation extrem nah an einem Halbleiterpellet
ausgeführt wird, kann das Pellet zerstört werden, wenn die
Operation nicht sorgfältig durchgeführt wird.
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(3) Da innerhalb des Gehäuses kein Schmelzbad verwendet
werden kann, müssen die Operationsbedingungen streng
kontrolliert werden, um eine gute Verbindung zwischen Lot und
Faser zu erzielen.
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(4) Die Anforderungen an die für das Ausrichten von
Halbleiterlaser und Faser erforderliche Genauigkeit sind
äußerst streng und diese Genauigkeit muß nach der
Befestigung der Faser aufrechterhalten werden.
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Diese Probleme sind bei einem Faserkupplungsverfahren mit
sphärischem Ende, das bei einem Modul mit dem vorliegenden
Aufbau angewendet wird, besonders ausgeprägt. Von den
vorstehend genannten Problemen können die Probleme (1) und (2)
durch Fachkräfte gelöst werden. Beim Problem (3) kann
anstatt Lot ein Klebstoff verwendet werden, ohne daß das
Problem selbst gelöst wird. Wenn jedoch im Inneren des
Gehäuses, in welchem ein Inertgas hermetisch abgedichtet ist,
ein Klebstoff verwendet wird, wird ein Verunreinigungsgas
erzeugt, das die Zuverlässigkeit des Halbleiterlasers
nachteilig beeinflußt, und eine positionelle Beziehung zwischen
dem Halbleiterlaser und der Faser wird infolge der
Verschlechterung eines ausgehärteten Klebstoffes im Laufe der
Zeit tendenziell verschlechtert. Problem (4) ist ein
Problem,
das dem Kupplungsverfahren mit einer Faser mit
sphärischem Ende eigen ist. Wie später beschrieben, ist die für
die Positionierung erforderliche Genauigkeit beim
Faserkupplungsverfahren mit sphärischem Ende streng
verglichen mit anderen Verfahren. Da die Positionsgenauigkeit
hoch sein muß, wird zusätzlich die Beziehung zwischen dem
Halbleiterlaser und der Faser infolge der Verschlechterung
eines Befestigungsagens im Laufe der Zeit und dgl.
verschlechtert, nachdem die Faser befestigt worden ist, was
zu einer Minderung der Kupplungseffizienz führt.
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Das zweite Herstellproblem ist ein Problem der
Dichtigkeitseigenschaft. Bei dem DIP-Modul mit dem wie vorstehend
beschriebenen Aufbau, sind der Zylinder 15' zum Schutz der
Außenfläche der Faser und der Schutzabschnitt 11' durch
Löten an einem Abschnitt gegeneinander abgedichtet, wo die
Faser in das Gehäuse eingeführt ist. Da bei diesem Löten
kein Schmelzbad verwendet werden kann, müssen die
Operationsbedingungen streng kontrolliert werden, um die
Dichtigkeitseigenschaft aufrechtzuerhalten. Zusätzlich liegt ein
anderes Problem vor, wenn ein Dichtungstest durchgeführt
wird. Im allgemeinen wird zusätzlich zu einem groben
Dichtigkeitstest für eine elektronische Einrichtung ein Fein-
Dichtigkeitstest durchgeführt, der eine hohe
Zuverlässigkeit sicherstellen sollte, bei dem vorstehend beschriebenen
Aufbau ist es jedoch schwierig, den Fein-Dichtigkeitstest
durchzuführen. Das heißt, das Spurengas (üblicherweise
radioaktives Gas oder Heliumgas), das beim Beschichten der
Faser während der Gaskompression absorbiert worden ist,
zerstört den Gasdetektionsvorgang, weil die Menge des
Spurengases aus der Faserbeschichtung weit höher als die
kritische Leckgasmenge ist. Dieses Problem liegt vor, weil die
hermetische Abdichtung solange nicht beendet ist, bis die
Faser in dem Modul-Hauptkörper montiert ist, und diese
Reihenfolge kann bei dem Faserkupplungsverfahren mit
sphärischem
Ende nicht umgekehrt werden. Daher ist dies ein
Problem, das bei dem Kupplungsverfahren selbst vorliegt.
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Wie vorstehend beschrieben, werden die Probleme des
DIP-Moduls und seines Aufbaus hauptsächlich durch das
Faserkupplungsverfahren mit sphärischem Ende verursacht. Das
Faserkupplungsverfahren mit sphärischem Ende wird fast ohne
Ausnahmen als Kupplungsverfahren beim DIP-Modul, der das
Peltier-Element enthält, verwendet. Auf der anderen Seite
werden bei dem gleichen Faserkupplungsverfahren mit
sphärischem Ende verschiedene Faserbefestigungsverfahren
verwendet. Diese Verfahren sind beispielsweise ein Verfahren, bei
dem ein Klebstoff verwendet wird, um die Faser mit
sphärischem Ende zu befestigen, und ein Verfahren, bei dem ein
Metallblock vor dem distalen Ende der Faser mit sphärischem
Ende aufgelötet wird und in der Nähe des Halbleiterlasers
angelötet ist. Das zuletzt genannte Verfahren umfaßt viele
vorgeschlagene Techniken, beispielsweise eine Technik, bei
der das Peltier-Element als Heizelement verwendet wird,
eine Technik, bei der ein Lot durch einen YAG-Laserstrahl
erhitzt und geschmolzen wird, und eine Technik, bei der ein
Block, der einen elektrischen Heizdraht enthält, in der
Nähe des distalen Endes der Faser mit sphärischem Ende
montiert ist, und der elektrische Heizdraht zum Erhitzen des
Lotes verwendet wird. Bei jeder dieser Techniken ist es
jedoch offensichtlich, daß die vorstehend genannten Probleme
nicht gelöst werden.
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Wie vorstehend beschrieben, wird das
Faserkupplungsverfahren mit sphärischem Ende in breitem Umfang als ein
Kupplungsverfahren für das DIP-Modul verwendet, das das
Peltier-Element enthält, obwohl das Verfahren die vorstehend
erwähnten Probleme enthält. Die Gründe hierfür werden im
folgenden beschrieben.
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Erstens ist das Peltier-Element selbst mechanisch unstabil.
Das heißt, es wird beim Montieren des Peltier-Elementes
normalerweise ein niedrigschmelzendes Lot verwendet, das
auch zur Befestigung des Peltier-Elementes innerhalb des
Gehäuses verwendet wird. Als ein Ergebnis ist der
Halbleiterlaser, der auf dem Peltier-Element montiert ist,
von einer mechanisch unstabilen Einrichtung mit geringer
Zuverlässigkeit getragen. In diesem Fall ist es am
einfachsten, das distale Ende der Faser auf das Peltier-Element
zuzubewegen und es dort zu befestigen, um die thermische
Stabilität der Verbindung zwischen dem Halbleiterlaser und
der Faser, die eine hohe Genauigkeit für eine lange
Zeitspanne erfordert, aufrechtzuerhalten. Dies ist deshalb der
Fall, weil eine relative positionelle Beziehung zwischen
dem Halbleiterlaser und der Faser selbst dann nicht
geändert wird, wenn das Peltier-Element selbst mechanisch durch
Ermüdung im Laufe der Zeit deformiert wird, und die
Position des Halbleiterlasers verschiebt.
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Zweitens muß der Halbleiterlaser thermisch nach außen
abgeschirmt sein. Es wird angenommen, daß ein optisches System,
welches den Teil vom Halbleiterlaser bis zum distalen Ende
der Faser umfaßt, von einem starren Element, wie in einem
Koaxial-Modul, wie später beschrieben, getragen wird. In
diesem Fall können die Temperaturen nur des Halbleiters und
eines Teils in der Nähe nicht gesteuert werden, da Wärme
von den Umfangsteilen desselben über das starre Element
geleitet wird. Auf der anderen Seite wird der Stromverbrauch
des Peltier-Elementes stark erhöht, wenn die Temperatur des
gesamten optischen Systems, welches das starre Element
enthält, gesteuert wird, und ein derartiges Element kann nicht
in einem kleinen DIP-Gehäuse aufgenommen sein. Bei dem
Faserkupplungsverfahren mit sphärischem Ende ist jedoch der
Halbleiterlaser thermisch gut nach außen isoliert, da das
Peltier-Element über nur eine Quarzfaser mit kleinem
Durchmesser mit dem äußeren verbunden ist, und während der
Temperatursteuerung tritt somit kein Problem auf.
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Anders ausgedrückt wird das Faserkupplungsverfahren mit
sphärischem Ende als ein Kupplungsverfahren des DIP-Moduls,
der das Peltier-Element enthält, verwendet, weil zwei Arten
von Notwendigkeiten bestehen, d. h. die Stabilität der
optischen Kupplung zwischen dem Halbleiterlaser und der Faser
und die thermische Isolation des Halbleiterlasers gegenüber
dem äußeren. Daher wird davon ausgegangen, daß die
vorstehend beschriebenen Probleme als dem DIP-Modul mit
eingebautem Peltier-Element inhärente Fehler sind.
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Wie vorstehend beschrieben, können die LD-Module in zwei
Arten klassifiziert werden, d. h. das DIP-Modul und das
Koaxialmodul, und die vorstehend beschriebenen Probleme des
DIP-Moduls werden klarer ersichtlich, wenn sie mit dem
Koaxialmodul verglichen werden. Daher wird der Koaxialmodul
als Referenz beschrieben, um diese Probleme zu vergleichen
und zu untersuchen.
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Das Koaxialmodul wurde früher als das DIP-Modul verwendet,
in welchem ein LD in einem Gehäuse bestehend aus einem
Blechgehäuse mit einem Glasfenster, das zuerst hergestellt
worden ist, montiert und hermetisch abgedichtet wird, und
dann wird der LD an einem Koaxialelement montiert, eine
Linse und eine Faser werden aneinander befestigt, nachdem
sie so eingestellt worden sind, daß am LD emittiertes Licht
wirksam an die Faser gekoppelt ist. Im allgemeinen kann die
Kupplungseffizienz durch Temperaturänderungen variieren
oder gemäß der abgelaufenen Zeit ansteigend schlechter
werden, da die Kupplung zwischen dem LD und der Faser
(insbesondere bei SMF) eine extrem hohe Positionsgenauigkeit
erfordert. Bei dem Koaxialmodul gleichen sich die
Änderungsfaktoren in einer Schnittebene gegenseitig aus, da der
Aufbau axial symmetrisch um eine zentrale Achse des Moduls
ist, und es kann auf einfache Art und Weise eine stabile
Kupplung erhalten werden. Dies ist einer der Gründe, warum
dieser Aufbau im Modul der früheren Tage angewendet worden
ist. Gemäß diesem Aufbau muß jedoch eine LD verwendet
werden, die vorher in einem zylindrischen Gehäuse montiert
ist. Daher ist es schwierig, ein Hybridmodul zu bilden, in
dem in einem einzigen Gehäuse eine periphere Schaltung, ein
Element und dgl. montiert sind. Da die Form eines Moduls
zylindrisch ist, ist zusätzlich die Montageeinfachheit
verringert, wenn das Modul verglichen mit dem DIP-Modul in
Kommunikationsausrüstungen installiert wird.
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Es werden im folgenden die Probleme des DIP-Moduls mit
denen des Koaxial-Moduls verglichen:
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Erstens ist der Koaxialmodul dem DIP-Modul bezüglich
leichter Montage überlegen. Das heißt, in dem DIP-Modul kann die
Faser mit sphärischem Ende leicht zerstört werden und es
ist daher schwierig, die Faser zu handhaben. Bei dem
Koaxialmodul kann jedoch die Faser leicht gehandhabt werden, da
das distale Ende der Faser durch einen Metallzylinder od. dgl.
geschützt werden kann. Da die LD bereits im mittleren
Teil des Blechgehäuses aufgenommen ist, wenn die Faser
befestigt wird, wird zusätzlich ein Pellet der LD nicht
direkt zerstört. Obwohl das Blechgehäuse hermetisch
abgedichtet ist, kann ein Schmelzbad verwendet werden, wenn die
Faser durch Löten befestigt werden soll. Die für die
Positionierung des Halbleiterlasers und der Faser erforderliche
Genauigkeit ist bei dem Koaxialmodul im allgemeinen weniger
streng als bei dem DIP-Modul. Dies wird im einzelnen später
beschrieben, da eine detaillierte Untersuchung erforderlich
ist.
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Zweitens ist das Koaxialmodul dem DIP-Modul bezüglich der
Bedingungen der Dichtigkeitseigenschaft überlegen. In einer
Halbleitereinrichtung, die eine hohe Zuverlässigkeit haben
muß, wird ein Pellet normalerweise in einem
Metallblechgehäuse
montiert und hermetisch abgedichtet, und
dieses Verfahren ist eine bereits etablierte Technik.
Zusätzlich kann sowohl die grobe Dichtungsüberprüfung als auch
die feine Dichtungsprüfung durchgeführt werden, da die
Faser noch nicht montiert ist, wenn das Pellet hermetisch
abgedichtet ist.
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Ein Kupplungsverfahren, das bei dem Koaxialmodul verwendet
wird, wird im Folgenden beschrieben. Bei diesem
Kupplungsverfahren sind eine oder mehrere Linsen zwischen den LD und
dem distalen Ende der Faser angeordnet, ein am LD
emittierter Lichtstrahl wird durch diese Linsen fokussiert und mit
hoher Effizienz an die Faser gekoppelt. Das ausgezeichnete
Kupplungsverfahren wird als "virtuelle
Faser"-Kupplungsverfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren ist eine
selbstfokussierende Stablinse am distalen Ende einer Faser
angeklebt, d. h. es wird eine Faser verwendet, die eine wirksam
vergrößerte Spotgröße des Modusfeldes hat. Die
Charakteristiken dieses Verfahrens können, wie im Folgenden in
wesentlichen Punkten zusammengefaßt werden.
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(1) Durch Ankleben einer selbstfokussierenden Stablinse am
distalen Ende der Faser wird die effektive Spotgröße der
Faser vergrößert, so daß eine Toleranz bezüglich der
Achsabweichung verglichen mit dem Fall, wo eine einzige
Faser ohne Linse verwendet wird, erhöht wird.
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(2) Wenn die Toleranz bezüglich einer Achsabweichung durch
das Verfahren (1) vergrößert wird, wird die Toleranz
bezuglich einer Winkelabweichung verringert und die
Winkeljustierung wird schwierig.
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(3) Wenn die Toleranz bezüglich der Achsabweichung durch
das Verfahren (1) vergrößert ist, wird der Bereich der
optimalen Positionen des distalen Endes der "virtuellen
Faser" weiter vergrößert, wenn der Abstand zwischen dem LD
und der ersten Linse (die dem LD am nächsten liegende
Linse) variiert.
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Es ist offensichtlich, daß das Kupplungsverfahren, bei dem
die "virtuelle Faser" verwendet wird, dem Verfahren
überlegen ist, bei dem eine Faser mit sphärischem Ende verwendet
wird, da die Toleranz bezüglich der Achsabweichung
vergrößert werden kann. Beispielsweise wird angenommen, daß
0,5 dB als Erhöhung des Kupplungsverlustes erlaubt sind. In
diesem Fall ist die Toleranz der Achsabweichung sehr klein
mit ungefähr 0,3 um, weil davon ausgegangen wird, daß eine
optimale Kupplung erhalten wird, da eine Spotgröße eines
nahen Feldmusters am lichtemittierenden Punkt des LD so
klein wie ungefähr 1 um am sphärischen Ende der Faser ist.
Im Gegensatz hierzu beträgt bei dem Verfahren mit
"virtueller Faser" die Toleranz der Achsabweichung ungefähr 3 um,
d. h. ist um ungefähr das Zehnfache gegenüber dem Verfahren
mit einer Faser mit sphärischem Ende erhöht, da eine
Spotgröße von ungefähr 5 um der Faser durch die Linse um
ungefähr das zweifache vergrößert ist.
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Durch Erhöhen der Toleranz bezüglich der Achsabweichung
wird jedoch die Toleranz bezüglich der Winkelabweichung
verringert. Da die Toleranz bezüglich der Winkelabweichung
bei dem Faserkupplungsverfahren mit sphärischem Ende sehr
groß ist, muß während der positionellen Justierung keine
Winkeljustierung durchgeführt werden. Während der
positionellen Justierung bei dem Kupplungsverfahren mit
"virtueller Faser" muß jedoch eine Winkeljustierung der zwei Achsen
zusätzlich zu der Dreiachsen-Justierung in einer
dreidimensionalen Richtung, d. h. eine Fünfachsen-Justierung
gleichzeitig durchgeführt werden, was zu einer großen Behinderung
bei der Herstellung des Moduls führt.
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Das Problem (3) ist eine Behinderung der Konstruktion des
Moduls. Das heißt, da die Position des distalen Endes der
Faser weitgehend variiert, muß für jede Modulkomponente
eine große Justierbreite vorgesehen werden, die die
Veränderungen aufnimmt. Daher kann die Größe des Moduls nicht
kompakt ausgeführt werden. Dies ist ein Nachteil der
"virtuellen Faser" verglichen mit dem DIP-Modul, der in
Übereinstimmung mit dem Faserkupplungsverfahren mit sphärischem
Ende kompakt ist.
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Somit ist das Verfahren, bei dem die "virtuelle Faser"
verwendet wird, von Vorteil, da die Toleranz bezüglich der
axialen Abweichung erfüllt wird. Die Toleranz bezüglich der
Winkelabweichung wird jedoch verringert oder die
Justierbreite vergrößert. Daher wird eine Erhöhung der
Toleranz bezüglich der axialen Abweichung nur innerhalb eines
begrenzten Bereiches gewählt, um eine spezifische der
vorstehend beschriebenen Bedingungen nicht zu stark
herabzusetzen.
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Obwohl für den LD-Modul viele Punkte erforderlich sind,
werden diese Anforderungen wie vorstehend beschrieben weder
durch den herkömmlichen DIP-Modul noch durch den
herkömmlichen Modul zufriedengestellt. Dies ist in der folgenden
Tabelle 1 dargestellt.
TABELLE 1 Vergleich zwischen herkömmlichem DIP-Modul und Koaxialmodul
herkömmliches DIP-Modul herkömmliches Koaxial-Modul Temperatursteuerung des LD möglich unmöglich S-Einfachheit gut schlecht Montage einer Ausschlußschaltung im Modul Kupplungseffizienz niedrig hoch Temperaturänderung bei Kupplungseffizienz infolge Verschlechterung im Laufe der Zeit klein Dichtigkeitseigenschaft unzureichend gut Handhabung der Bauteile bei der Justierung schwierig leicht Winkeljustierung unnötig notwendig Justrierbreite in Richtung der optischen Achse groß Reproduzierrbarkeit während Faserbefestigung
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen
DIP-Modul zu schaffen, der alle Vorteile des herkömmlichen
DIP-Moduls und des herkömmlichen Koaxialmoduls hat.
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Ein Halbleiterlasermodul gemäß der vorliegenden Erfindung
ist durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4
gekennzeichnet.
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Zusätzlich hat das Substrat eine Nut in einer Richtung
rechtwinkelig zu einer Lichtstrahl-Ausgangsrichtung des
Halbleiterlasers, der DIP-Träger ist in der Nut befestigt,
das Substrat hat ein Durchgangsloch, dessen Mittelpunkt auf
der Mittelachse eines Lichtstrahls des Halbleiterlasers
liegt, und die erste Linse ist in dieses Durchgangsloch
eingesetzt.
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Weiterhin hat das Substrat erste und zweite Nuten in einer
Richtung rechtwinkelig zu einer
Lichtstrahl-Ausgangsrichtung des Halbleiterlasers, und eine dritte Nut in einer
Richtung parallel zu der Lichtstrahl-Ausgangsrichtung, in
der ersten Nut ist der Chip-Träger befestigt, und die erste
Linse ist eine sphärische Linse, die in einer Schnittstelle
von zweiter und dritter Nut befestigt ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
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Es zeigt
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Fig. 1A und 1B jeweils einen herkömmlichen DIP-Modul in
schematischer Darstellung teilweise im Schnitt;
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Fig. 2A und 2B jeweils den Innenaufbau einer
Ausführungsform eines LD gemäß der vorliegenden Erfindung in
schematischer Darstellung teilweise im Schnitt; und
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Fig. 3A und 3B jeweils den Innenaufbau einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer
Darstellung teilweise im Schnitt.
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Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen anhand der
begleitenden Figuren beschrieben.
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Die Fig. 2A und 2B zeigen jeweils in schematischer
Darstellung im Längsschnitt eine Ausführungsform eines
Halbleiterlaser-Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Wie aus den Fig. 2A und 2B zu ersehen, ist ein
Halbleiterlaser 1 auf einem Chipträger 3 über einen Kühlkörper 2
montiert, und ist dann zusammen mit einer
Aufzeichnungsdiode 4, einem Chip-Thermistor 5, und einer Linse 6 auf einem
Substrat 7 montiert. Das Substrat 7 ist mittels eines
Weichlots auf einem Peltier-Element 8 montiert, das am
Gehäuse 9 mittels eines Weichlots befestigt ist. Ein
Seitenwandteil des Gehäuses 9 hat ein Fensterglas 10, das
hermetisch abgedichtet ist, und ein zylindrisch vorstehender
Teil 11 ist an dem Seitenwandteil um das Glas fester 10
vorgesehen, um nach außen vorzustehen. Auf der distalen
Stirnfläche des vorstehenden Teils 11 ist mittels eines Halters
12 eine Linse 13 befestigt, deren Seitenfläche durch einen
Halter geschützt ist. Eine Quarzfaser 14, deren
Seitenfläche in der Nähe des distalen Endes durch einen
Metallzylinder 15 geschützt ist, ist in einen Gleitring 16, der einen
Innendurchmesser aufweist, welcher etwas größer als der
Außendurchmesser des Metallzylinders 15 ist, eingesetzt und
dort fixiert, und der Gleitring 16 und der Halter 12 sind
miteinander an einer dazwischenliegenden Kontaktfläche
befestigt. An der Stirnfläche der Quarzfaser ist unter
Verwendung eines transparenten Klebstoffes eine Glasplatte 27
befestigt, wodurch optische Reflexion an der Stirnfläche der
Faser verhindert wird, die den Betrieb der Laserdiode
unstabil machen würde. Bei dieser Anordnung sind die distale
Endfläche des vorstehenden Teils 11 und der Halter 12 und
der Gleitring 16 miteinander auf einer Ebene rechtwinkelig
zu einer Mittelachse (die als optische Achse bezeichnet
wird) der Quarzfaser 14 jeweils miteinander in Berührung
gebracht und der Gleitring 16 und der Metallzylinder 15
sind miteinander auf einer zylindrischen Fläche, die die
gleiche Mittellinie wie die optische Achse hat, in
Berührung gebracht.
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Das Substrat 7 hat eine Nut 17 in einer Richtung
rechtwinkelig zu einer Lichtstrahl-Ausgangsrichtung des
Halbleiterlasers 1, und der Chipträger 2 ist in der Nut 17 befestigt.
Das Substrat 7 hat ein Durchgangsloch 18, dessen
Mittelpunkt auf die Mittelachse des Lichtstrahls des
Halbleiterlasers 1 fällt, und die Linse 6 ist in dem Durchgangsloch
18 eingesetzt und befestigt.
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Die Tatsache, daß dieser Halbleiterlasermodul alle in der
Tabelle 1 gezeigten Anforderungen erfüllt, wird im
Folgenden beschrieben.
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Als erstes hat das in den Fig. 2A und 2B gezeigte
DIP-Modul das Peltier-Element und hat die gleiche Form wie der
herkömmliche DIP-Modul. Daher ist es offensichtlich, daß
die Temperatur den LD gesteuert werden kann und die Bestückung
leicht ist, wenn eine Kommunikationsausstattung mit
dem Modul bestückt wird. Zusätzlich kann eine
Zusatzschaltung eingebaut sein.
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Zweitens kann für die Kopplungseffizienz die gleiche hohe
Kopplungseffizienz wie bei dem Koaxialmodul erhalten
werden. Bei dem herkömmlichen DIP-Modul muß die Toleranz durch
Opfern der Kupplungseffizienz erhöht werden, wenn die
Toleranz klein ist oder eine Befestigungseinrichtung der
optischen Komponenten hat eine nur geringe Zuverlässigkeit. Bei
dem DIP-Modul der vorliegenden Erfindung muß jedoch die
Kupplungseffizienz nicht geopfert werden, da die
Zuverlässigkeit keines der später beschriebenen Probleme
hervorruft, was zu einer hohen Kupplungseffizienz führt.
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Eine kleine Verschlechterung im Lauf der Zeit und
Temperaturänderung bei der Kupplungseffizienz sind wichtige Punkte
beim LD-Modul, und das DIP-Modul gemäß der vorliegenden
Erfindung erfüllt diese Anforderungen. Wie vorstehend mit
Bezugnahme auf den herkömmliche DIP-Modul beschrieben, kann
die Verschlechterung im Laufe der Zeit und eine
Temperaturänderung in Verbindung mit der Kupplungseffizienz
auftreten, da das Modul mit diesem Aufbau durch eine
mechanisch unstabile Einrichtung mit geringer Zuverlässigkeit
befestigt ist. Dieses Problem kann jedoch wie folgt gelöst
werden. Das heißt, die Toleranz bezüglich der
Positionsabweichung zwischen den Linsen 6 und 13 ist sehr erhöht, da
eine Spotgröße des Lichtstrahls zwischen den Linsen 6 und
13 sehr vergrößert ist. Wenn daher die positionelle
Abweichung bis zu einem gewissen Ausmaß zwischen den Linsen 6
und 13 erzeugt ist, kann eine hierdurch erzeugte Änderung
der Kupplungseffizienz vernachlässigt werden. Auf der
anderen Seite sind strenge Toleranzen zwischen dem LD 1 und der
Linse 6 und der Linse 13 und der Faser 14 erforderlich. Da
jedoch zuverlässige Mittel für die Befestigung zwischen LD
1 und Linse 6 und zwischen Linse 13 und Faser 14 verwendet
werden, wird eine positionelle Abweichung, die eine große
Änderung der Kupplungseffizienz erzeugt, nicht erzeugt. Das
heißt, bei dem Modul gemäß der vorliegenden Erfindung
werden mechanisch sehr zuverlässige Mittel zum Zusammenbauen
des Moduls an Abschnitten verwendet, wo die Toleranz mit
Bezug auf die positionelle Abweichung klein ist. Auf der
anderen Seite wird die Toleranz an Abschnitten sehr stark
vergrößert, wo Mittel mit mechanisch geringer
Zuverlässigkeit verwendet werden müssen, um das Modul zusammenzubauen.
Als ein Ergebnis wird insgesamt ein LD-Modul mit kleinen
Änderungen der Kupplungs-Effizienz und hoher
Zuverlässigkeit gebildet.
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Für eine Dichtigkeits-Eigenschaft kann gemäß dem DIP-Modul
der vorliegenden Erfindung ein Dichtigkeitstest
durchgeführt
werden, bevor die Faser befestigt ist, wenn das
Gehäuse durch eine Kappe vor dem Befestigen der Faser
abgedichtet ist. Daher kann sowohl die grobe
Dichtigkeitsüberprüfung als auch die feine Dichtigkeitsüberprüfung
durchgeführt werden, wodurch eine gute Dichtigkeitseigenschaft
sichergestellt wird. Dies kann mit dem herkömmlichen
DIP-Modul nicht erzielt werden.
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Zusätzlich werden bei dem DIP-Modul gemäß der vorliegenden
Erfindung für Zerstörung anfällige Bauteile, wie
beispielsweise die Faser mit sphärischem Ende, die bei dem
herkömmlichen DIP-Modul ein Problem hervorrufen, nicht verwendet.
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Schließlich werden die Probleme beschrieben, die auftreten,
wenn eine Position der Faser justiert und befestigt ist.
Wenn die Faser justiert und befestigt ist, sind die
folgenden Punkte wichtig. Das heißt:
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erstens ist eine Winkeljustierung nicht notwendig,
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zweitens ist eine Justierbreite in der Richtung der
optischen Achse klein, und drittens ist die Reproduzierbarkeit
während der Fixierung gut, d. h. die Kupplungseffizienz wird
durch die positionelle Abweichung, die während der
Fixierung erzeugt wird, nicht verschlechtert. Das DIP-Modul
gemäß der vorliegenden Erfindung kann diese Anforderungen
durch die folgende Montagereihenfolge zufriedenstellen.
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In der ersten Stufe wird der Halter 12 mit dem vorstehenden
Teil 11 eines Modulhauptkörpers in Berührung gebracht,
wobei der Zusammenbau des inneren des Gehäuses beendet ist,
wie dies in der Fig. 2B dargestellt ist. Danach wird die
Position der Linse 14 in einer Richtung rechtwinkelig zur
optischen Achse justiert, so daß der durch die Linse 14
nach außen ausgegebene Strahl genau bezogen auf den Modul-
Hauptkörper sich nach vorne ausbreitet, und dann wird der
Halter zeitweilig gehalten, während diese Position
aufrechterhalten wird.
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Dann wird die Position des distalen Endes der Quarzfaser
14, deren Außenfläche durch den Metallzylinder 15 geschützt
ist, in eine optimale Position einjustiert und dann werden
der Metallzylinder 15 und der Gleitring 16 und der Halter
12 wie in der Fig. 2B gezeigt, jeweils verbunden. Als ein
Ergebnis sind der Halter 12, der Gleitring 16 und die
Quarzfaser 14 einstückig ausgebildet, um eine Faser zu
bilden. Als ein Ergebnis der Befestigungsoperation wird jedoch
die Position des distalen Endes der Quarzfaser 14, die
einmal in der optimalen Position eingestellt worden ist, in
einer Richtung rechtwinkelig zur optischen Achse
verschoben, wodurch die Kupplungseffizienz bis zu einem gewissen
Ausmaß verschlechtert wird.
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Schließlich wird der Halter 12, der zeitweilig gehalten
worden ist, freigegeben und nach der Position der Faser,
die durch Integrieren des Halters 12 gebildet ist, werden
der Gleitring 16 und die Quarzfaser 14 in einer Richtung
rechtwinkelig zur optischen Achse justiert, um die
Kupplungseffizienz wieder zu gewinnen, der Halter 12 ist an dem
vorstehenden Teil 11 befestigt. Zu diesem Zeitpunkt kann
die Verschlechterung der Kupplungseffizienz, die durch die
positionelle Abweichung erzeugt wird, vernachlässigt
werden, da die Toleranz zwischen den Linsen 6 und 13 wie
vorstehend beschrieben sehr vergrößert ist.
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Als ein Ergebnis der vorstehend beschriebenen Reihenfolge
können alle Bauelemente aus dem Modul-Hauptkörper bis zur
Faser einstückig ausgebildet werden und permanent ohne
Verschlechterung der Kupplungseffizienz befestigt werden. In
diesem Fall muß nicht wie bei dem vorstehend beschriebenen
Koaxialmodul eine Winkeljustierung der Bauteile
durchgeführt werden, und in der Richtung der optischen Achse ist
eine große Justierbreite nicht notwendig. Der Grund, warum
die Winkeljustierung nicht durchgeführt werden muß, ist
der, daß eine Richtung des Lichtstrahls, der auf der
Quarzfaser 14 auftrifft, optimiert ist, wenn die Position der
Linse 13 in der ersten Stufe einjustiert ist. Der Grund,
warum die große Justierbreite in Richtung der optischen
Achse nicht notwendig ist, ist der, daß nur die Quarzfaser
14 unabhängig ohne Verschieben der Linse 13 verschoben
wird, wenn die Position der Quarzfaser 14 in der Richtung
der optischen Achse justiert wird. Dieser Vorgang ist bei
dem vorstehend beschriebenen Koaxialmodul unmöglich, da die
Linse 13 am distalen Ende der Faser liegt und befestigt
ist, und dann die Justierung durchgeführt wird.
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Wie vorstehend beschrieben, ist es offensichtlich, daß der
Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung alle
erforderlichen Punkte gemäß Tabelle 1 erfüllt.
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Dieser Modul hat auch die folgenden Charakteristiken.
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Das heißt, bei einem Halbleiterlasermodul mit einer Linse,
ist eine hohe Genauigkeit der relativen positionellen
Beziehung zwischen dem LD und der Linse erforderlich, um die
Kupplungseffizienz nicht zu verschlechtern. Obwohl die
geforderte Genauigkeit von einer Konstante der verwendeten
Linse abhängt, muß ein Fehler im allgemeinen innerhalb des
Bereiches von mehreren Zehntel m in Richtung der optischen
Achse und zwei Richtungen rechtwinkelig zur optischen Achse
fallen. In der Fig. 2A hat das Substrat 7 die Nut 17 in
einer Richtung rechtwinkelig zu der
Lichtstrahl-Ausgangsrichtung des Halbleiterlasers 1, und in der Nut 17 ist der
Chipträger 3 befestigt. Daher ist die Position des
lichtemittierenden Punktes des Halbleiterlasers 1 durch die Größe
der Bauteile mit Ausnahme für eine Richtung entlang der Nut
bestimmt. Das Substrat 7 hat auch das Durchgangsloch 18,
dessen Mittelpunkt mit der Mittelachse des Lichtstrahls des
Halbleiters 1 übereinstimmt, und in das Durchgangsloch 18
ist die Linse 6 eingesetzt und dort befestigt. Daher ist
die Position der Linse 6 bezüglich des Substrates durch die
Größen der Bauteile mit Ausnahme für die optische Achse
bestimmt. In diesem Fall kann die Richtung der optischen
Achse fixiert werden, indem ein Positionieranschlag
verwendet wird. Als ein Ergebnis wird die Position des
Chipträgers 3, auf welchem der Halbleiterlaser 1 befestigt ist,
durch Gleiten entlang der Nut 17 eingestellt, wodurch eine
relative Positionierung zwischen dem Halbleiterlaser 1 und
der Linse 6 erfolgt.
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Die Fig. 3A und 3B zeigen eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In den Fig. 3A und 3B hat
ein Substrat 7' Nuten 17 und 19 in einer Richtung
rechtwinkelig zu der Lichtstrahl-Ausgangsrichtung des
Halbleiterlasers 1, und hat eine Nut 20 in einer Richtung parallel zur
Lichtstrahl-Ausgangsrichtung. Der Chipträger 3 ist in der
Nut 17 befestigt, und eine sphärische Linse 6' ist an einem
Schnittpunkt zwischen den Nuten 19 und 20 befestigt. Die
anderen Anordnungen sind ähnlich wie bei der in den Fig.
2A und 2B gezeigten Ausführungsform.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar zu ersehen, daß
dieser DIP-Modul alle Anforderungen, die in der Tabelle 1
gezeigt sind, erfüllt. Die Ausführungsform gemäß der
Figuren 3A und 3B unterscheidet sich von der gemäß der Fig.
2A und 2B dadurch, daß die Linse 6' am rechtwinkeligen
Schnittpunkt zwischen den zwei Nuten, die im Substrat
ausgebildet sind, befestigt und fixiert ist. Zu diesem
Zeitpunkt ist die Linse 6' automatisch mit Bezug auf das
Substrat 7 positioniert, wenn die Breite jeder der zwei Nuten
mit einem Wert übereinstimmt, der durch Multiplizieren
eines Durchmessers der Linse 6' mit 2 erhalten wird.
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Diese Ausführungsform hat verglichen mit der
Ausführungsform wie sie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, Vorteile
bezüglich der leichten Herstellung und niedriger Kosten.
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Genauer gesagt können die folgenden drei Vorteile erzielt
werden.
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1. Da nur die Nuten geschnitten sind, wenn das Substrat 7'
geformt wird, kann ein billiges Bauteil mit hoher
Genauigkeit erhalten werden.
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2. Die sphärische Linse ist verglichen mit anderen Linsen
billig und bezüglich der Herstellgenauigkeit von Vorteil.
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3. Da die Linse 6' automatisch mit Bezug auf das Substrat
7' positioniert wird, kann die Montage vereinfacht werden.
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Wie vorstehend beschrieben, ist das Halbleiterlasermodul
gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der
Kupplungseffizienz zwischen Halbleiterlaser und optischer Faser, der
Stabilität gegenüber Verschlechterung im Lauf der Zeit und
einer Temperaturänderung in der Kupplung, und bezüglich der
Handhabbarkeit während der Montage, von Vorteil.