Zugeschnittene Optik
für die Miniaturisierung von Systemen

Abspecken: Schmalere Linsen für verkleinerte Systeme

Wenn Menschen an eine Linse denken, gehen sie zumeist von traditionellen rotationssymmetrischen, runden Linsen aus. Es gibt einen guten Grund für diese vorgefasste Meinung: Im Laufe der Geschichte war die Linsenherstellung von dieser Symmetrie abhängig, um sphärische und asphärische Linsen präzise zu formen und zu polieren. Diese radiale Symmetrie dient als unschätzbares Werkzeug im optomechanischen Design und ermöglicht eine einfache Zentrierung und Ausrichtung komplexer optischer Systeme. Beispiele für diesen passiven Ausrichtungsprozess lassen sich am besten anhand der Anordnung der Linsen in dem Gehäuse eines Mikroskopobjektivs oder eines High-End-Kameraobjektivs veranschaulichen. In beiden Beispielen zentrieren sich die Linsen und Abstandsringe selbst im Inneren des Tubus, was die Herstellungszeit und -kosten deutlich reduziert und gleichzeitig eine ausgezeichnete mechanische Stabilität gewährleistet (Abbildung 1).

Abbildung 1: Traditionelle rotationssymmetrische, runde Linsen werden durch kreisförmige Abstandshalter und Halteringe in herkömmlichen optischen Anordnungen selbstzentrierend ausgerichtet, wodurch die Montage und Ausrichtung vereinfacht wird.

Da der technologische Trend immer mehr in Richtung kleinerer und kompakterer Geräte geht, ist im Inneren des Gehäuses häufig leider nicht genügend Platz für überschüssiges Material wie mechanische Halterungen oder nicht benötigtes Glas. Aus diesem Grund sind viele moderne elektrooptische Gehäuse heute auf die Verwendung von zugeschnittenen oder quadratischen optischen Komponenten ausgelegt, die flach auf einer Plattform montiert werden können, ohne, dass kreisförmige oder v-förmige Halterungen erforderlich sind (Abbildung 2). Eine Vielzahl von photonischen Technologien nutzen diese Komponenten, insbesondere in der Telekommunikationstechnik wie bei Multiplexern und Verstärkern. Im Folgenden werden zwei Beispiele näher betrachtet: Miniaturspektrometer und fasergekoppelte Diodenlaser.

Abbildung 2: Quadratische oder zugeschnittene optische Komponenten werden für eine Vielzahl von platzkritischen, elektrooptischen Anwendungen immer wichtiger.

Zugeschnittene Spiegel in Miniaturspektrometern

Das in heutigen Miniaturspektrometern am häufigsten verwendete optische Design ist als Czerny-Turner-Konfiguration bekannt. In dieser Anordnung wird das Licht vom Eintrittsspalt durch einen kleinen konkaven Spiegel gebündelt und dann auf das Beugungsgitter gelenkt (Abbildung 3). Wenn das Licht auf das Beugungsgitter fällt, werden die verschiedenen Wellenlängen entlang der Achse parallel zur Plattform gestreut, bleiben jedoch kollimiert. Aus diesem Grund ist ein Fokussierspiegel mit relativ großem Durchmesser erforderlich, um die Vielzahl der Spaltbilder auf die lineare Detektoranordnung des Spektrometers zu fokussieren. Dies ist jedoch nur in einer Achse der Fall. Daher ist es üblich, einen größeren runden Spiegel zu kürzen, indem man die Ober- und Unterseite abschneidet, so dass er bündig mit der Plattform montiert werden kann, was die Höhe des Gesamtsystems deutlich reduziert.

Abbildung 3: Schema eines Czerny-Turner-Spektrometers mit zwei zugeschnittenen Fokussierspiegeln

In einigen neueren Miniatur- und Mikrospektrometerdesigns wird dieser Trend fortgesetzt, indem diese zugeschnittenen Spiegel mit mikro-elektromechanischen System-(MEMS)-basierten räumlichen Lichtmodulatoren anstelle eines Beugungsgitters integriert werden. Die MEMS-Technologie ermöglicht eine weitere Reduzierung der Größe der Optik und die Substitution der Detektoranordnung durch eine Einzelelement-Fotodiode, wodurch die Gesamtfläche des Spektrometers in einigen Fällen bis auf nur Daumengröße minimiert wird. Um diese Kompaktheit zu erreichen, müssen sowohl der Kollimations- als auch der Fokussierspiegel zugeschnitten werden, um eine flache Kante zu erhalten, die die Oberflächenmontage beider Optiken ermöglicht. In diesem Fall werden Mikropositionierungssysteme ("Pick and Place") eingesetzt, um beide Spiegel auszurichten, bevor sie an Ort und Stelle mit Epoxidharz verklebt werden. Im folgenden Abschnitt wird die Mikropositionierung näher erläutert.

Quadratische Linsen in fasergekoppelten Diodenlasern

Während es Dutzende verschiedener Lasergehäuse gibt, die häufig für Laserdioden verwendet werden, ist der 14-polige Butterfly zum Industriestandard für leistungsstarke, fasergekoppelte Laserdioden geworden. Dieses Gehäuse ermöglicht die Verwendung einer gemeinsamen Plattform, die auf einem integrierten thermoelektrischen Kühler (TEC) montiert ist und eine ausgezeichnete thermomechanische Stabilität bietet. Diese Plattformen, mit Abmessungen von weniger als 8 mm x 15 mm, bestehen aus einem Material wie Kupfer-Wolfram, das dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Glas entspricht. Die CTE-Anpassung ermöglicht den Betrieb der Laserdiode über einen weiten Temperaturbereich hinweg, ohne die optischen Elemente im Inneren des Gehäuses zu beschädigen oder falsch auszurichten. Die Verwendung traditioneller runder Mikrooptiken, Silikon-V-Nuten oder Metall-Montageringe führt jedoch zu Instabilitäten aufgrund der CTE-Abweichungen, reduziert den bereits begrenzten Raum im Inneren des Gehäuses und bietet eine relativ schlechte Ausrichtungsmöglichkeit. Der aktuelle Trend beim Laserdioden-Aufbau geht zur Verwendung von quadratischen oder rechteckigen Mikrolinsen, die entweder direkt auf die Plattform geklebt oder im Raum durch ein sekundäres Glasstück nach dem so genannten "Zero-Gap-Montage-Verfahren" gehalten werden können. Diese Konstruktion bietet eine weitaus höhere Zuverlässigkeit, eine minimale Bauform und ermöglichen eine präzise Ausrichtung im Submikrometerbereich.

Abbildung 4: 14-polige Butterfly-Laserdiode mit zugeschnittener Optik

Durch die Verwendung dieser quadratischen optischen Elemente, die typischerweise in der Größenordnung von 1-3 mm liegen, kann ein geschulter Bediener mit einem Mikropositioniertisch die Optik auf der Plattform aktiv ausrichten. Diese Bühnen bestehen aus einem Vakuum-Aufnahmewerkzeug, das, wenn es bündig an der Oberseite oder der Seite der quadratischen Optik anliegt, die Ausrichtung der Optik im freien Raum mit typischerweise fünf Freiheitsgraden ermöglicht. Währenddessen wird die Leistung des Lasers in Echtzeit überwacht. Wenn ein Anwender versuchen würde, die gleiche Aufgabe mit einer runden anstelle einer quadratischen Optik zu erfüllen, müsste die Linse in einen quadratischen oder rechteckigen Linsenhalter montiert werden, wodurch ihr Gesamtvolumen deutlich erhöht und die maximale Anzahl der optischen Elemente, die in das Gehäuse eingesetzt werden können, reduziert würde.

In einem typischen fasergekoppelten 14-poligen Butterfly-Gehäuse können bis zu drei einzelne Linsen erforderlich sein, um eine effiziente und stabile Kopplung zu gewährleisten. Die meisten High-End-Laserdioden verwenden zwei gekreuzte azylindrische quadratische Mikrolinsen, um die Unterschiede zwischen den Divergenzwinkeln der schnellen und langsamen Achsen der Laserdiode auszugleichen. Die erste Linse, die als FAC-Linse (Fast Axis Collimating) bekannt ist, muss aufgrund des Divergenzwinkels eine erhebliche numerische Apertur mit einer typischen Brennweite von ca. 500 µm aufweisen, die aufgrund der geringen Größe der emittierenden Apertur im Allgemeinen etwa 25 Grad beträgt. Abhängig von der Verwendung einer Monomode- oder Multimode-Diode weist die langsame Achse einen Divergenzwinkel auf, der 3 bis 5 mal kleiner als ihre schnelle Achse ist. Um den Strahl rund zu formen, muss die SAC-Linse (Slow Axis Collimating) daher eine viel längere Brennweite aufweisen als die FAC-Linse. Abhängig von der Größe des Submounts der Diode können diese Elemente problemlos bis zu einem Drittel des verfügbaren Platzes auf der Plattform beanspruchen, was die Bedeutung der Verwendung von quadratischen Mikrooptiken anstelle von runden Optiken verdeutlicht. Nachdem der Strahl kollimiert ist, wird eine dritte quadratische Linse - typischerweise eine Asphäre - benötigt, um das Licht in die Glasfaser einzukoppeln. Ebenso wie das Strahlprofil und der Divergenzwinkel während des Kollimationsschritts kontrolliert werden, wird der Faserkopplungsprozess aktiv überwacht, um eine maximale Ausgangsleistung sicherzustellen. Bei einigen Singlemode-, fasergekoppelten Lasern kann auch die Polarisation beobachtet werden.

Abbildung 5: Zwei Zylinderlinsen werden häufig verwendet, um den Laserstrahl rund zu formen. Filter und andere optische Komponenten können in den kollimierten Strahlengang zwischen der SAC- und der Koppellinse eingesetzt werden.

Anpassung zugeschnittener Optiken

TDies sind nur zwei Beispiele dafür, wie zugeschnittene Optiken in modernen elektrooptischen Geräten eingesetzt werden. Mit dem Trend zu immer kleineren Gerätegehäusen werden quadratische und zugeschnittene Linsen sowie Spiegel immer beliebter. Es ist wichtig zu verstehen, dass es zwar einige Standardversionen dieser optischen Elemente gibt, aber eine gewisse Anpassung ist in den allermeisten Fällen erforderlich. Obwohl Edmund Optics® (EO) keine zugeschnittene Optiken mit einer Größe von 1 bis 3 mm herstellt, bietet EO eine breite Palette von handelsüblichen Zylinderlinsen mit quadratischem Profil an und schneidet optische Komponenten als kundenspezifischen Service zu. Diese Dienste sind ideal für größen- oder gewichtssensible Anwendungen. Kontaktieren Sie uns, um über unsere Möglichkeiten zu sprechen, einschließlich Zuschneiden und zylindrische Optik sowie kundenspezifische Größen, bei höheren Stückzahlen.