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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kopplung einer Laserdiode mit einer
optischen Faser und insbesondere auf die Kopplung einer Laserdiode mit einer optischen Faser
unter Verwendung eines sphärischen Spiegels.
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In einem optischen Kommunikationssystem können optische Signale durch Halbleiter-
Laserdioden erzeugt und über optische Fasern von einer Stelle zu einer anderen übertragen
werden. Solche optischen Systeme arbeiten höchst effizient, wenn die Laserdioden und die
Fasern mit minimalem Energieverlust gekoppelt sind.
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Der grundsätzliche Aufbau der optischen Faser weist einen Kern aus Glas hoher Reinheit auf,
der von einem Umhüllungsglas mit einem etwas geringeren Brcchungsindex umgeben ist.
Das von einer Laserdiode in den Kern der Faser übertragene Licht wird innerhalb des Kerns
geführt als Ergebnis des Unterschieds des Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen dem
Kern und der Umhüllung.
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Die Laserdiode ist typischerweise ein Halbleiter-Dioden-Laser, der Wellenleiterstrukturen
zum Führen des Lichts in seitlicher und in Querrichtung aufweist, das als Ergebnis des
Aufbringens eines Pumpstroms auf eine dünne aktive Schicht emittiert wird. Somit kann das
Problem des Koppelns einer Laserdiode mit einer optischen Faser als das Problem des
Koppelns zweier Wellenleiter angesehen werden (d. h. eines Laser-Wellenleiters und eines
optischen Faserwellenleiters), wobei die Wellenleiter unterschiedliche optische Eigenschaften
haben. Die Dimensionen des Laser-Wellenleiters sind relativ klein (z. B. ein Mikron),
während der Faserkern größere Abmessungen hat (z. B. 10 Mikron). In ähnlicher Weise hat der
Laser eine relativ große numerische Öffung (z. B. 0,5) und die Faser hat eine relativ kleine
numerische Öffnung (z. B. 0,1). Die numerische Öffnung ("NA") für eine optische Faser ist
etwa gleich dem Sinus des Strahlungswinkels oder des Akzeptanzwinkels der Faser
multipliziert mit dem Brechungsindex des Materials, das in Berührung mit der Eintrittsfläche oder der
Austrittsfläche der Faser steht. In ähnlicher Weise ist für einen Laser die numerische Öffnung
etwa gleich dem Sinus des Strahlungswinkels des Lasers multipliziert mit dem
Brechungsindex des Materials, das in Berührung mit der Laser-Emissionsfacette steht.
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Eine bekannte Maßnahme zum Koppeln einer Laserdiode und einer optischen Faser besteht
darin, die Faser mit engem Abstand vor der Laserdiode auszurichten. Wegen der
Unterschiede in den Abmessungen und in der numerischen Öffnung zwischen der Laserdiode und der
Faser ist eine solche Kopplung jedoch höchst ineffizient.
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Das Problem des Koppelns einer Laserdiode und einer optischen Faser kann mit verbesserter
Wirksamkeit gelöst werden durch Zwischenschalten einer Linse zwischen die Faser und die
Laserdiode. In der Praxis ist jedoch die Verwendung einer solchen Linse schwierig.
Insbesondere erfordert die Ausrichtung der Kombination aus Faser, Linse und Laser oft
mechanische Ausrichtungen der Faser bis auf Bruchteile eines Mikron. Eine solche Ausrichtung ist
schwierig zu erreichen und aufrechtzuerhalten wegen der kleinen Masse und der länglichen
Struktur der Faser.
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Eine andere Art eines Kopplungsmechanismus, der in US-A 4 755 017 offenbart ist,
beinhaltet die Verwendung eines sphärischen Spiegels zum Koppeln der Strahlung von einer ersten
optischen Faser auf einem ersten Grundträger in eine zweite optische Faser auf einem zweiten
Grundträger durch Reflexion. Eine punktförmige Lichtquelle, die in der Ebene mit doppeltem
Brennweitenabstand von dem sphärischen Spiegel liegt und die geringfügig gegenüber dem
Krümmungsmittelpunkt verlagert ist, wird mit minimaler Aberration an einem Punkt
abgebildet, der in derselben Ebene liegt und symmetrisch in Bezug auf den
Krümmungsmittelpunkt angeordnet ist. Die Abbildungsebene wird in diesem Fall die Eins-zu-Eins-
Abbildungsebene genannt. Unter Verwendung dieser Abbildungseigenschaft kann Licht von
einer optischen Faser auf eine andere abgebildet werden, wenn beide Fasern Endflächen
haben, die in der Eins-zu-Eins-Abbildungsebene des Spiegels liegen, und wenn beide
Endflächen symmetrisch in Bezug auf den Krümmungsmittelpunkt des Spiegels angeordnet sind.
Eine solche Eins-zu-Eins-Abbildung ist optimal für gleiche Objekte, wie zwei optische
Fasern. Die US-A 4 755 017 offenbart jedoch nicht einen Mechanismus zur optischen
Kompensation, wenn zwei Wellenleiter gekoppelt werden sollen, die unterschiedliche optische
Eigenschaften haben, wie ein optischer Faserwellenleiter und ein Laserdioden-Wellenleiter.
Eine geeignete Halterung für eine direkt gekoppelte Laserdiode und eine optische Faser muß
eine Trennung zwischen der Austrittsfacette der Diode und der Faser aufrechterhalten, um
dadurch eine Veränderung der gewünschten Resonanz der Diode zu verhindern. Diese
Trennung wird auf einen minimalen Abstand reduziert, der in Mikron gemessen wird, um eine
optimale Eins-zu-Eins-Kopplung zu erzielen. Es treten Schwierigkeiten bei der
Aufrechterhaltung der Trennung auf, weil die Halterung thermischer Expansion unterliegt, wenn sie
veränderlichen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist und wenn sie thermischer Energie
ausgesetzt ist, die aus dem Betrieb der Diode herrührt.
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Die Verwendung eines sphärischen Spiegels zur Kopplung der Diode mit einem Laser ist eine
Alternative zum direkten Koppeln. Jedoch ergibt eine Kopplung der Diode und der Faser an
der Abbildungsebene eines sphärischen Spiegels keine Verbesserung in der Kopplungs-
Effizienz im Vergleich zu einer direkt mit einer optischen Faser gekoppelten Diode.
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Im Hinblick auf das Vorstehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
optischen Kopplungsmechanismus zu schaffen, der verwendet werden kann, um zwei ungleiche
Wellenleiter, wie eine optische Faser und eine Laserdiode, in einer solchen Weise zu koppeln,
daß deren unterschiedliche optische Eigenschaften kompensiert werden.
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Die vorliegende Erfindung besteht in einem optischen Kopplungsmechanismus zum Koppeln
optischer Energie von einem ersten optischen Wellenleiter auf einem ersten Grundträger in
einen zweiten optischen Wellenleiter auf einem zweiten Grundträger, wobei der
Mechanismus eine sphärische reflektierende Oberfläche aufweist, die so angeordnet ist, daß sie
optische Energie, die von dem ersten optischen Wellenleiter übertragen wird, in den zweiten
optischen Wellenleiter reflektierend koppelt, wobei die sphärische reflektierende Oberfläche
eine Eins-zu-Eins-Abbildungsebene hat, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Grundträger
dichter an der sphärischen reflektierenden Oberfläche angeordnet ist als die Eins-zu-Eins-
Abbildungsebene und daß der zweite Grundträger weiter weg von der sphärischen
reflektierenden Oberfläche angeordnet ist als die Eins-zu-Eins-Abbildungsebene.
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Der optische Kopplungsmechanismus der vorliegenden Erfindung schafft bedeutende
Vorteile. Er weist eine einfache Konstruktion und geringe Kosten auf, so daß seine Herstellung sehr
attraktiv ist. Zusätzlich bietet der Kopplungsmechanismus der vorliegenden Erfindung eine
stabilere und verbesserte Kopplungseffizienz im Vergleich zu Kopplungsmechanismen nach
dem Stand der Technik. Die Notwendigkeit der Ausrichtung der Stellung der Faser mit
geringer Masse bis auf Bruchteile eines Mikrons, um eine maximale Energiekopplung zu
erreichen, wird durch den Kopplungsmechanismus der vorliegenden Erfindung beseitigt. Die
Stellung
der sphärischen reflektierenden Oberfläche wird eingestellt, um maximale Kopplung zu
erzielen. Es ist leichter, kleine Einstellungen in der Stellung eines Spiegels durchzuführen,
der relativ massiv ist, als in der Stellung der Faser, die eine geringe Masse hat. Ein Detektor
zum Feststellen von Emissionen an der rückwärtigen Facette der Laserdiode kann leicht als
Teil des Kopplungsmechanismus eingebaut werden. Es wird hier eine Kombination offenbart,
die folgende Teile aufweist: Ein sphärischer Spiegel, der eine Eins-zu-Eins-
Abbildungsebene hat, eine Halbleiter-Laserdiode, die eine Emissionsfacette hat, die dichter
an dem Spiegel liegt als die Eins-zu-Eins-Abbildungsebene, und eine optische Faser, die ei
ne Eintrittsfläche hat, die weiter von dem Spiegel weg liegt als die Eins-zu-Eins-
Abbildungsebene, wobei der Spiegel so positioniert ist, daß er Strahlung von der
Emissionsfacette der Laserdiode in die Eintrittsfläche der Faser koppelt.
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Es wird nun beispielsweise auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, deren einzige
Figur schematisch als Beispiel einen Kupplungsmechanismus für einen Wellenleiter in der
Form einer Laserdiode und für einen Wellenleiter in der Form einer optischen Faser
veranschaulicht.
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In der Figur ist ein Mechanismus zur Kopplung einer von einer Laserdiode ausgehenden
Strahlung in eine optische Faser dargestellt. Der Kopplungsmechanismus umfaßt einen
gemeinsamen Grundträger 1. Ein Lasergrundträger 2 ist fest an den Grundträger 1 angebaut.
Die Laserdiode 3 ist ihrerseits auf einer abgeschrägten Oberfläche 2a des Lasergrundträgers 2
befestigt.
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Ein Fasergrundträger 4 ist ebenso fest an dem gemeinsamen Grundträger 1 angebaut. Die
optische Faser 5 ist auf einer abgeschrägten Fläche 4a des Fasergrundträgers 4 befestigt. Aus der
Figur ist ersichtlich, daß die Faser 5 eine ebene Eintritts-Endfläche 6 hat, obwohl sich in
altemativen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Faserspitze 7 verjüngen und/oder mit
Linsen versehen sein kann.
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Der Lasergrundträger 2 und der Fasergrundträger 4 sind fest an den gemeinsamen
Grundträger 1 angebaut, um eine einzige Befestigungsstruktur zu erzeugen, die die Position der
vorderen Laseraustrittsfacette 10 in Bezug auf die Eintrittsfläche 6 der Faser starr festlegt. Wie im
folgenden noch in weiteren Details gezeigt wird, dient die einzige Befestigungsstruktur auch
dazu, die Winkelbeziehung zwischen der Längsachse 11 der Laserdiode und der Längsachse
12 der Faser festzulegen.
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Die Strahlung, die die vordere Austrittsfacette 10 der Laserdiode 3 verläßt, ist mittels eines
sphärischen Spiegels 20 mit der Eintrittsfläche 6 der Faser 5 gekoppelt. Der Spiegel 20 weist
einen Grundkörper 21 auf, der aus einem Material hergestellt ist, das ähnlich thermisch
beständig ist wie Glas. Am Grundkörper 21 ist eine sphärisch reflektierende Oberfläche 22
ausgebildet. Der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Oberfläche 22 ist in der Figur mit C
und der Radius der sphärischen Oberfläche ist mit R gekennzeichnet. In den meisten Fällen
beträgt R ungefähr 0,127 cm (0,05 Zoll). Eine optische Achse 23 ist durch den
Krümmungsmittelpunkt C gelegt und schneidet den Spiegel im Scheitelpunkt V.
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Die Ebene, die den Krümmungsmittelpunkt C beinhaltet und senkrecht auf der optischen
Achse 23 steht, ist die Eins-zu-Eins-Abbildungsebene. Eine Lichtquelle, die in der Eins-
zu-Eins-Abblidungsebene liegt und geringfügig gegenüber der optischen Achse verschoben
ist, wird eins zu eins auf eine Stelle in der Eins-zu-Eins-Abbildungsebene abgebildet, die
symmetrisch in Bezug auf die optische Achse ist.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die Eins-zu-Eins-Abbildung
gewöhnlich nicht benutzt, um Strahlung von der Laserdiode 3 in die optische Faser 5 zu
koppeln. Der Grund dafür ist, daß der Laser und die optische Faser unterschiedliche optische
Eigenschaften aufweisen. Wie oben beschrieben, beinhaltet die Laserdiode beispielsweise einen
aktiven Wellenleiter, der Dimensionen in der Größenordnung von 1 Mikron und eine
numerische Öffnung in der Größenordnung von 0.5 hat. Im Gegensatz dazu hat der Kern der Faser 7
einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 Mikron und eine numerische Öffnung von
ungefähr 0.1. Wie aus der Figur ersichtlich ist, entspricht die numerische Öffnung von 0.5 der
Laserdiode 3 somit einem relativ weiten Lichtkegel 30, der den Laser verläßt. Die numerische
Öffnung von 0.1 der Faser entspricht einem relativ engen Lichtkegel 31, der in die optische
Faser eintritt.
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Infolge der Unterschiede der Dimensionen und der numerischen Öffnungen zwischen der
Laseraustrittsfacette und der Fa-sereintrittsfläche wird die Größe des Laserlichtpunktes
vergrößert, so daß die vom Laser emittierte Strahlung wirkungsvoll in die Faser gekoppelt wird.
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Die vordere Laseraustrittsfacette ist in einer axialen Entfernung "o" vom Scheitelpunkt V des
Spiegels positioniert. Die Eintrittsfläche der Faser ist in einer axialen Entfernung "i" vom
Scheitelpunkt des Spielgels positioniert. Wenn der Laser und die Faser hinreichend nah an
der optischen Achse plaziert werden, so daß die Lichtstrahlen, die den Laser verlassen, und
die Lichtstrahlen, die in die Faser eintreten, einen hinreichend kleinen Winkel mit der
optischen Achse des Spiegels ergeben, können die Entfernungen i und o näherungsweise durch
die folgende Formel in Beziehung gesetzt werden:
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1/i + 1/o= 1/f=2/R
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wobei f die Brennweite des Spiegles (f = R/2) ist und die Vergrößerung durch die Formel
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m = i/o
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wiedergegeben wird.
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Beispielsweise ist o = 0,6R und i = 3R und die Vergrößerung beträgt 5, was einem Laser mit
einer numerischen Öffnung von 0,5 eine sichere Kopplung mit einer Faser mit einer
numerischen Öffnung von 0,1 ermöglicht. Jedoch ist der exakte Vergrößerungsfaktor nicht kritisch.
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Zusätzlich ist eine effektive Kopplung dann erreicht, wenn die Längsachse 11 des Lasers und
die Längsachse 12 der Faser beide mit der optischen Achse des Spiegels den Winkel Alpha
einschließen. (Anders ausgedrückt, halbiert die optische Achse den Winkel zwischen der
Achse des Lasers und der Achse der Faser). Der Winkel Alpha ist so gewählt, daß der
Schnittpunkt I der Achsen 11 und 12 mit dem Scheitelpunkt V des Spiegels zusammenfällt.
Beispielsweise ist in der Figur Alpha = 5.7 Grad. Zu diesem Zweck hat der Lasergrundträger
2 eine Oberfläche 2a, auf der der Laser 3 befestigt ist. Wie in der Figur dargestellt, hat die
Oberfläche 2a eine Neigung Alpha. In ähnlicher Weise hat der Grundträger der Faser 4 eine
Oberfläche 4a, auf der die Faser 5 befestigt ist. Die Oberfläche 4a hat ebenfalls eine Neigung
Alpha, wie aus der Figur hervorgeht.
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Um die Kopplungseinrichtung der vorliegenden Erfindung zu benutzen, dienen die
winkeligen Blöcke des Lasergrundträgers 2 und des Grundträgers der Faser 4 dazu, den relativen
Abstand zwischen der vorderen Austrittsfacette 10 der Laserdiode und der Eintrittsfläche 6
der Faser parallel zur optischen Achse auszubilden und die Wirkelbeziehung zwischen den
Langsachsen des Lasers und der Faser zu erreichen. Die Position des Spiegels wird daraufhin
vor- und/oder rückwärts so einjustiert, daß die Abstände i und o erreicht werden und der
Schnittpunkt I der Achsen des Lasers und der Faser genau mit dem Scheitelpunkt V des
Spiegels zusammenfällt. Die Leistung der Faser, die mit ihrer Positionierung zusammenhängt,
kann mit einem Detektor überwacht werden, um ein relatives Maximum entsprechend der
Position des Spiegels zu messen, wodurch die Kopplung optimiert wird. Der Spiegel wird
dann mit Schweißtechniken oder mit UV-härtendem Kleber an der Grundplatte 1 befestigt.
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Ein Problem mit der Kopplungseinheit, die in der Figur dargestellt ist, besteht darin, daß ein
Teil des Strahlungskegels 31 der Faser durch die Laserdiode 3 und den Grundträger 2
abgedeckt wird. Dies bedeutet, daß ein Teil der Strahlung, die von der Laserdiode ausgestrahlt und
von dem Spiegel reflektiert wird, von dem Körper des Läsers und des Grundträgers blockiert
wird. Der Teil des Lasergrundträgers und des Lasers, die diese Behinderung hervorrufen, sind
mit Nummer 40 in der Figur gekennzeichnet. Es muß berücksichtigt werden, daß nur ein
hinterer Teil des Gauss-förmig verteilten Strahls der von dem Laser produziert wird, behindert
wird. Der hintere Teil des Gauss-förmigen Strahls enthält nur einen Bruchteil der
Strahlungsenergie. Der Grad der Abdeckung kann reduziert werden, indem der Laser und sein
Grundträger zurück, weg vom Spiegel, verschoben werden, so daß sie sich vollständig
außerhalb des Strahlungskegels der Faser befinden. Die Verschiebung der Laseraustrittsfacette weg
vom Spiegel wird jedoch den Objektabstand vergrößern und die Vergrößerung reduzieren
(d.h. das Verhältnis i/o), was wiederum die Effizienz der Kopplung verringert. Somit gibt es
im Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in der Figur dargestellt ist, einen Kompromiß
zwischen Vergrößerung und Abdeckung des Strahlungskegels der Faser. Dies deutet an, daß
eine optimale Kopplungsposition für die Plazierung der Faser existiert.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Detektor 8 an dem Grundträger 4 der
Faser befestigt. Der Detektor 8 ermittelt die Strahlung, die aus der rückwärtigen Facette 9 des
Lasers 3 austritt. Signale, die von dem Detektor 8 in Abhängigkeit von der Strahlung der
rückwärtigen Facette generiert werden, werden für die Überprüfung der Funktionweise des
Läsers 3 benutzt. Der Strahlungskegel, der von der rückwertigen Facette des Lasers 3
emittiert wird, ist in der Figur mit 32 gekennzeichnet. Ein Problem ergibt sich mit der
ausgesandten Strahlung der Rückfacette des Lasers, indem ein Teil davon in die Faser eintreten könnte
und eine Störung gegenüber der Strahlung, die über die Kopplung mit dem sphärischen
Spiegel aus der Vorderfacette in die Faser eintritt, hervorrufen könnte. Da der
Vergrößerungsgrad, hervorgerufen durch den sphärischen Spiegel, um die Läserstrahlung mit der Faser
zu koppeln, einstellbar ist, gibt es eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, indem die Faser
einwärts, auf den Spiegel zu, geschoben wird, so daß die Fasereintrittsfacette außerhalb des
Strahlungskegels 32, der durch die rückwärtige Austrittsfacette des Lasers hervorgerufen
wird, liegt. Zusätzlich reduziert dies die Abdeckung der Faser durch die Laserdiode 3 und den
Grundträger 2 und optimiert die Leistung der Kopplung. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Detektor 8 auf der Oberfläche 2a des Lasergrundträgers
befestigt werden.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die Strahlung von einem ersten
Wellenleiter, so z.B. einer Laserdiode, in einen zweiten Wellenleiter, so z.B. eine optische Faser,
unter Zuhilfenahme eines sphärischen Spiegels gekoppelt. Da die optische Faser und die
Laserdiode unterschiedliche optische Eigenschaften haben (z.B. unterschiedliche Dimensionen
und unterschiedliche numerische Öffnungen), wird eine Eins-zu-Eins-Abbildung nicht
verwendet. Stattdessen wird die vordere Emissionsfacette der Laserdiode näher an dem
sphärischen Spiegel plaziert als die Eins-zu-Eins-Abbildungsebene, und die Eintrittsfläche der
Faser wird weiter weg von dem Spiegel plaziert als die Eins-zu-Eins-Abbildungsebene. Dies
kompensiert die Ungleichheit zwischen der numerischen Öffnung des Lasers und der
numerischen Öffnung der Faser.
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Um Licht von einer Laserdiode in eine optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung zu
koppeln, werden die Laserdiode und die optische Faser auf dem gleichen Grundträger
befestigt, um den relativen Abstand zwischen der Austrittsfacette der Laserdiode und der
Eintrittsfläche der optischen Faser festzulegen sowie die Winkelbeziehung zwischen der
Längsachse der Laserdiode und der Längsachse der optischen Faser zu fixieren. Die Postition des
Spiegels wird daraufhin so justiert, bis die maximale Kopplung erreicht ist. Dann wird der
Spiegel in seiner Position unter Verwendung von z.B. Schweißtechniken oder eines
ultaviolett-empfindlichen Klebers fixiert.
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Der Spiegel kann dabei so gesehen werden, als ob er eine optische Achse hat, auf der ein
entlanglaufender Lichtstrahl auf sich selbst zurück reflektiert wird. Die Achse geht durch den
Krümmungsmittelpunkt des Spiegels und den Scheitelpunkt des Spiegels. Um die maximale
Kopplung von Lichtenergie zwischen Laserdiode und optischer Faser zu erreichen, befindet
sich die Austrittsfacette der Laserdiode auf der einen Seite der Achse und näher zum Spiegel
als die Eins-zu-Eins-Abbildungsebene. In ähnlicher Weise befindet sich die Eintrittsfacette
der Faser auf der gegenüberliegenden Seite der Achse und weiter weg vom Spiegel als die
Eins-zu-Eins-Abbildungsebene. Dies hat die Wirkung, die Größe des Laserquellenpunktes
zu vergrößern, um die Unterschiede der numerischen Öffnungen der Laserdiode und der
optischen Faser zu kompensieren. Zusätzlich sollten die Laserdiode und die optische Faser so
geneigt sein, daß sich die Längsachsen der Laserdiode und der optischen Faser mit der
optischen Achse des Spiegels in dem Scheitelpunkt des Spiegels schneiden.