DE102004025661A1 - Optische-Vorrichtung -Gehäuse mit Drehspiegel und Ausrichtungspfosten - Google Patents

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Abstract

Ein optoelektronisches Gehäuse bzw. eine optoelektronische Unterbaugruppe umfaßt einen Kantenemissionslaser und einen Reflektor, der einen Strahl von dem Laser durch eine Montagebasis lenkt. Die Montagebasis enthält passive oder aktive Schaltungselemente, die mit dem Laser elektrisch verbunden sind. Der Laser kann entweder unter Verwendung einer Abdeckung, in die der Reflektor integriert ist, oder unter Verwendung eines Kapselungsmaterials, das den Laser umhüllt, vor der Umwelt geschützt sein. Ein Ausrichtungspfosten, der so bemessen ist, daß er in eine Hülse paßt, ist dort angebracht, wo das optische Signal aus der Montagebasis hervortritt. Ein Einstecken des Pfostens in ein Ende der Hülse und ein Einführen einer optischen Faser in das andere Ende der Hülse, so daß die optische Faser an den Pfosten anstößt, richtet anschließend die optische Faser aus, um das optische Signal zu empfangen.

Description

  • Diese Patentschrift bezieht sich auf die folgenden gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldungen und nimmt diese durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit auf: Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Alignment Post for Optical Subassemblies Made With Cylindrical Rods, Tubes, Spheres, or Similar Features", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030442-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Wafer-Level Packaging of Optoelectronic Devices", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030489-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Integrated Optics and Electronics", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030566-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Methods to Make Diffractive Optical Elements", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030769-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Optoelectronic Device Packaging With Hermetically Sealed Cavity and Integrated Optical Element", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030386-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Surface Emitting Laser Package Having Integrated Optical Element And Alignment Post", Anwaltsaktenzeichen Nr. 11030807-1; und Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Optical Receiver Package", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030808-1.
  • Optoelektronische Halbleiterbauelemente bzw. Halbleitervorrichtungen wie z. B. Laserdioden für optische Sende-/und Empfangsgeräte können unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken auf effiziente Weise hergestellt werden. Allgemein bilden Waferverarbeitungstechniken gleichzeitig eine große Anzahl (z. B. Tausende) von Bauelementen auf einem Wafer. Der Wafer wird dann geschnitten, um einzelne Chips zu trennen. Eine gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl von Chips hält die Kosten pro Chip niedrig, jedoch muß allgemein jeder Chip in ein System eingehäust bzw. eingebaut werden, das den Chip schützt und das sowohl elektrische als auch optische Schnittstellen zur Verwendung der Bauelemente auf dem Chip liefert.
  • Der Zusammenbau eines Gehäuses oder eines Systems, das ein optoelektronisches Bauelement enthält, ist aufgrund des Erfordernisses, mehrere optische Komponenten mit einem Halbleiterbauelement auszurichten, oft kostspielig. Beispielsweise kann die Sendeseite eines optischen Sende-/Empfänger-Chips einen Fabry-Perot-Laser umfassen, der von einer Kante des Chips ein optisches Signal emittiert. Jedoch kann ein gewünschter Pfad des optischen Signals erfordern, daß Licht aus einer anderen Richtung, z. B. der Stirnseite eines Gehäuses, austritt. Ein Drehspiegel kann das optische Signal von seiner ursprünglichen Richtung in die gewünschte Richtung ablenken. Zusätzlich kann eine Linse oder ein anderes optisches Element notwendig sein, um das optische Signal zu fokussieren oder zu verändern und die Kopplung des optischen Signals in eine externe optische Faser zu verbessern. Eine Ausrichtung eines Drehspiegels zur Kante des Chips, der Linse zum Drehspiegel und einer optischen Faser zur Linse kann ein zeitaufwendiger/kostspieliger Vorgang sein.
  • Das Häusen auf Waferebene ist eine vielversprechende Technologie zum Verringern der Größe und der Kosten des Häusens von optoelektronischen Bauelementen. Bei der Häusung auf Waferebene werden Komponenten, die herkömmlicherweise separat an getrennten Gehäusen gebildet und befestigt wurden, statt dessen auf einem Wafer, der mehreren Gehäusen entspricht, hergestellt. Die sich ergebenden Strukturen können entweder einzeln oder gleichzeitig befestigt und später geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen.
  • Häusungstechniken und Strukturen, die die Größe und/oder Kosten von optoelektronischen Baugruppen verringern können, werden gesucht.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 oder 17 sowie durch Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 22 gelöst.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind ein Reflektor und ein Kantenemissionslaser an einer Montagebasis befestigt. Die Montagebasis umfaßt passive oder aktive elektrische Komponenten, die mit dem Laser elektrisch verbunden sind. Die Montagebasis kann ferner optische Elemente umfassen, und der Reflektor ist positioniert, um ein optisches Signal von dem Laser durch die Montagebasis zu reflektieren. Ein Ausrichtungspfosten kann anschließend dort an der Montagebasis angebracht werden, wo das optische Signal hervortritt. Ein Einfügen des Pfostens in ein Ende einer Hülse und ein Einfügen einer Ferrule, die eine optische Faser enthält, in das gegenüberliegende Ende der Hülse, richtet die beiden aus, wodurch eine effiziente Kopplung des optischen Signals zu der optischen Faser erreicht wird.
  • Der Laser kann durch ein transparentes Kapselungsmaterial, das auf die Montagebasis aufgebracht wird, um den Laser zu umhüllen, geschützt werden. Alternativ dazu kann eine Abdeckung an der Montagebasis befestigt sein, um einen Hohlraum zu bilden, der den Laser einschließt, und der Reflektor kann als reflektierender Abschnitt der Hohlraumwand in die Abdeckung eingebaut sein.
  • Ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Bauelement, das eine Montagebasis, einen Kantenemissionslaser und einen Reflektor umfaßt. Die Montagebasis umfaßt Leiterbahnen, und der Kantenemissionslaser ist mit den Leiterbahnen elektrisch gekoppelt. Der Reflektor ist positioniert, um das optische Signal von dem Kantenemissionslaser durch die Montagebasis zu reflektieren. Ein Ausrichtungs pfosten kann dort an der Montagebasis befestigt sein, wo das optische Signal hervortritt. Zusätzlich kann ein optisches Element wie z. B. eine Beugungslinse in dem Pfad des optischen Signals befestigt sein oder entlang des Pfades des optischen Signals in die Montagebasis integriert sein.
  • Bei einer Variation dieses Ausführungsbeispiels ist der Reflektor ein reflektierender Abschnitt einer Innenwand einer Abdeckung, die an der Montagebasis befestigt ist, um den Laser in einem Hohlraum hermetisch abzudichten. Alternativ dazu kann auf die Montagebasis ein transparentes Kapselungsmaterial wie z. B. Silizium aufgebracht werden, um den Laser zu umhüllen und zu schützen.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt eines Abschnitts einer Struktur, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene für optische Halbleiterbauelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Drahtbonden für elektrische Verbindungen verwendet, gebildet wird;
  • 2 einen Querschnitt eines Abschnitts einer Struktur, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene für optische Halbleiterbauelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Flip-Chip-Strukturen für elektrische Verbindungen verwendet, gebildet wird;
  • 3A einen Querschnitt einer Montagebasis für ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3B eine Draufsicht einer Montagebasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine akti ve Schaltungsanordnung in der Montagebasis umfaßt;
  • 4A und 4B perspektivische Ansichten von Abdeckungen für optische Halbleiterbauelementgehäuse gemäß alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung;
  • 5 ein Optisches-Bauelement-Gehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Abdeckung und einen optischen Ausrichtungspfosten umfaßt;
  • 6 ein Optisches-Bauelement-Gehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein Kapselungsmaterial und einen optischen Ausrichtungspfosten verwendet;
  • 7 das Optische-Bauelement-Gehäuse der 5, wenn es mit einer Hülse und einem Optikfaserverbinder zusammengebaut ist; und
  • 8 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine optische Baugruppe über eine flexible Schaltungsplatine mit einer starren Schaltungsplatine verbunden ist.
  • Die Verwendung derselben Referenzsymbole in verschiedenen Figuren weist auf ähnliche oder identische Posten hin.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Gehäuse für einen Kantenemissionslaser eine Montagebasis und einen Reflektor, der ein optisches Signal von dem Laser durch die Montagebasis richtet. Die Montagebasis kann ein Halbleitersubstrat sein, das passive oder aktive Schaltungselemente umfaßt, die an dem Chip befestigt sind. Ein Ausrichtungspfosten kann dort an der Montagebasis befestigt sein, wo das optische Signal nach einer Reflexion von dem Reflektor hervortritt. Der Reflektor kann entweder ein separates Ele ment sein oder er kann ein Bestandteil einer Abdeckung sein, die an der Montagebasis befestigt ist, wodurch der Laser in einem Hohlraum hermetisch abgedichtet wird. Wenn der Reflektor ein separates Element ist, kann auf den Laser und die Montagebasis ein transparentes Kapselungsmaterial aufgebracht sein, um den Laser zu schützen.
  • Ein Herstellungsprozeß auf Waferebene für diese Gehäuse befestigt mehrere Laser an einem Montagebasiswafer. Reflektoren sind an bestimmten Positionen an dem Montagebasiswafer befestigt, um optische Signale von jeweiligen Lasern zu reflektieren. Die Reflektoren können entweder separate Elemente sein oder können reflektierende Bestandteile von Hohlräumen in einem Abdeckungswafer sein. Ein Schutz der Chips vor Umwelteinflüssen kann entweder durch ein Kapselungsmaterial geliefert werden, das aufgebracht wird, um die Laser zu umhüllen, oder indem Hohlräume, die durch Befestigen eines Abdeckungswafers an dem Montagebasisgehäuse gebildet werden, hermetisch abgedichtet werden. Der Montagebasiswafer wird geschnitten, um einzelne Gehäuse zu trennen. Ausrichtungspfosten können vor oder nach der Trennung der Gehäuse an den Montagebasen befestigt werden, um eine Ausrichtung der Gehäuse in einer optischen Unterbaugruppe (OSA – optical subassembly) zu vereinfachen.
  • 1 zeigt eine Struktur 100, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wird. Die Struktur 100 umfaßt mehrere Kantenemissonslaser 110. Die Laser 110 können einen herkömmlichen Entwurf aufweisen und können unter Verwendung von Verfahren, die in der Technik hinreichend bekannt sind, hergestellt sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist jeder Laser 110 ein Fabry-Perot-Laser zur Verwendung bei dem sendenden Abschnitt eines optischen Senders.
  • Jeder Laser 110 befindet sich in einem der Hohlräume 140, die zwischen einem Montagebasiswafer 120 und einem Abdec kungswafer 130 gebildet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 sind die Laser 110 an dem Montagebasiswafer 120 befestigt und elektrisch mit demselben verbunden. Die Laser 110 können unter Verwendung einer herkömmlichen Chipbefestigungsausrüstung in der gewünschten Position festgeklebt oder auf andere Weise in derselben befestigt sein. In der Struktur 100 verbindet ein Drahtbonden die Verbindungsanschlußflächen 115 auf den Lasern 110 mit internen Verbindungsanschlußflächen 122 auf dem Wafer 120.
  • Der Wafer 120 ist vorwiegend aus Silizium und/oder anderen Materialien hergestellt, die für die Wellenlänge (z. B. 1100 nm oder länger) der optischen Signale von den Lasern 110 transparent sind. Der Wafer 120 umfaßt ferner Schaltungselemente wie z. B. Verbindungsanschlußflächen 122 und elektrische Leiterbahnen oder Durchkontaktierungen (nicht gezeigt), die die Laser 110 mit externen Anschlüssen 124 verbinden. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel befinden sich die externen Anschlüsse 124 auf der oberen Oberfläche des Montagebasiswafers 120, die externen Anschlüsse könnten alternativ dazu jedoch auch auf der unteren Oberfläche vorgesehen sein. Zusätzlich können aktive Bauelemente (nicht gezeigt) wie z. B. Transistoren, ein Verstärker oder eine Überwachungseinrichtung/ein Sensor in den Wafer 120 integriert sein.
  • Der Abdeckungswafer 130 ist so hergestellt, daß er in Bereichen, die den Lasern 110 auf dem Montagebasiswafer 120 entsprechen, Vertiefungen oder Hohlräume 140 und in Bereichen über den externen Anschlüssen 124 Sägekanäle 144 umfaßt. Der Wafer 130 kann aus Silizium oder einem beliebigen zweckmäßigen Material hergestellt werden, das für die Bildung von Hohlräumen 140 der gewünschten Form geeignet ist. Die Hohlräume 140 können auf verschiedene Weisen gebildet werden, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, eines Formens, Prägens, Ultraschallbearbeitens und (isotropen-, anisotropen- oder Plasma-) Ätzens.
  • Die gesamte Oberfläche des Abdeckungswafers 130 oder ein Teil derselben, die Hohlräume 140 umfaßt, ist entweder reflektierend oder mit einem reflektierenden Material beschichtet, so daß Reflektoren 150 an den erforderlichen Stellen in den Abdeckungswafer 130 integriert sind, um optische Signale von den Lasern 110 in die gewünschte Richtung zu reflektieren. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel bildet eine Aufbringung eines reflektierenden Metalls die Reflektoren 150, das Metall kann jedoch auf ausgewählte Bereiche beschränkt sein, um eine Dochtwirkung zu vermeiden, wenn ein Lötmittel die Wafer 120 und 130 miteinander verbindet. Die Reflektoren 150 können planar sein, um das optische Signal lediglich in die gewünschte Richtung zu reflektieren oder umzukehren, können alternativ dazu jedoch auch nicht-planar sein, um, falls gewünscht, eine Strahlformung zu liefern.
  • Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der Abdeckungswafer 130 Silizium, und ein anisotropes Ätzen des Siliziums bildet Hohlräume 140, die sehr glatte planare Facetten auf den <111> Ebenen der Siliziumkristallstruktur aufweisen. Die Reflektoren 150 sind Facetten, die mit einem reflektierenden Material wie z. B. einem Ti/Pt/Au-Metallstapel beschichtet sind. Der bevorzugte Winkel der Reflektoren 150 beträgt 45 Grad relativ zu der Oberfläche des Wafers 130, so daß die Reflektoren 150 optische Signale, die die Laser 110 parallel zu der Oberfläche des Wafers 120 emittieren, in eine Richtung reflektieren, die zu der Oberfläche des Montagebasiswafers 120 senkrecht ist. Ein Siliziumwafer, der um 9,74 Grad von der Achse abweichend geschnitten wird, kann verwendet werden, um für jeden Reflektor 150 einen 45-Grad-Winkel zu erzielen. Jedoch kann ein Ätzen eines Siliziums, das auf der Achse oder außeraxial bei unterschiedlichen Winkeln geschnitten wird, Reflektoren 150 bei Winkeln erzeugen, die für viele Anwendungen geeignet sein können.
  • Optional können optische Elemente 160 wie z.B. Linsen oder Prismen entlang der Pfade der optischen Signale von den Lasern 110 an dem Montagebasiswafer 120 befestigt sein oder in denselben integriert sein. Bei 1 sind die optischen Elemente 160 Linsen, die in den Wafer 120 integriert sind und dazu dienen, die optischen Signale zum Zweck einer besseren Kopplung in eine optische Faser oder ein anderes optisches Bauelement, das in 1 nicht gezeigt ist, zu fokussieren. Die US-Patentanmeldung Nr. 10/210,598 mit dem Titel „Optical Fiber Coupler Having a Relaxed Alignment Tolerance" offenbart bifokale Beugungslinsen, die für optische Elemente 160 geeignet sind, wenn ein Koppeln der optischen Signale in optische Fasern gewünscht wird.
  • Der Montagebasiswafer 120 und der Abdeckungswafer 130 sind ausgerichtet und miteinander verbunden. Zum Befestigen der Wafer 120 und 130 könnten eine Vielzahl von Waferbondingtechniken eingesetzt werden, einschließlich eines Lötens, Bondens durch Wärmekompression oder Bondens mit einem Haftmittel. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung befestigt ein Löten unter Verwendung eines eutektischen Gold/Zinn-Lötmittels die Wafer 120 und 130 aneinander und dichtet die Hohlräume 140 hermetisch ab. Die hermetischen Abdichtungen an den Hohlräumen 140 schützen die eingeschlossenen Laser 110 vor Umweltschäden.
  • Nachdem die Wafer 120 und 130 verbunden wurden, kann die Struktur 100 geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu erzeugen, die jeweils einen Laser 110 umfassen, der in einem Hohlraum 140 hermetisch abgedichtet ist. Insbesondere ermöglichen Sägekanäle 144 ein Sägen des Abdeckungswafers 130 entlang der Linien 136, ohne darunterliegende Strukturen, z.B. die externen Anschlüsse 124, zu beschädigen. Nach dem Sägen des Abdeckungswafers 130 kann der Montagebasiswafer 120 entlang der Linien 126 geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen.
  • 2 veranschaulicht eine Struktur 200 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Flip-Chip-Strukturen verwendet, um Laser 210 an einem Montagebasiswafer 220 zu befestigen. Für ein Flip-Chip-Häusen werden Verbindungsanschlußflächen 212 auf Lasern 210 positioniert, um leitfähige Säulen oder Kontakthügel 222 auf dem Montagebasiswafer 220 zu berühren. Die Kontakthügel 222 enthalten allgemein ein Lötmittel, das aufgeschmolzen werden kann, um die Laser 210 physisch und elektrisch an dem Wafer 220 zu befestigen. Eine (nicht gezeigte) Unterfüllung kann ferner verwendet werden, um die mechanische Integrität zwischen dem Wafer 210 und dem Montagebasiswafer 220 zu verbessern. Abgesehen von dem Verfahren zur Befestigung und elektrischen Verbindung der Laser 210 an dem Wafer 220 ist die Struktur 200 im wesentlichen dieselbe wie die oben beschriebene Struktur 100.
  • Obwohl 1 und 2 Strukturen veranschaulichen, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene gebildet werden, können ähnliche Techniken für einen einzelnen Kantenemissionslaser eingesetzt werden, wo ein Reflektor ein optisches Signal von dem Laser durch eine Montagebasis umleitet.
  • 3A zeigt einen Querschnitt einer Montagebasis 300 für ein Optisches-Bauelement-Gehäuse gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für einen Häusungsprozeß auf Waferebene ist die Montagebasis 300 ein Bestandteil eines Montagebasiswafers und wird erst nach einem Verbinden des Montagebasiswafers, wie es oben beschrieben wurde, von anderen, ähnlichen Montagebasen getrennt. Alternativ dazu kann die Montagebasis 300 zur Herstellung eines einzelnen Gehäuses von anderen, ähnlichen Montagebasen getrennt werden, bevor ein Optisches-Bauelement-Chip an der Montagebasis 300 befestigt wird.
  • Die Montagebasis 300 kann unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken hergestellt werden, wie sie beispielswei se in einer gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT, mit dem Titel „Integrated Optics And Electronics", Anwaltsaktenzeichen 10030566-1, beschrieben werden. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfaßt die Montagebasis 300 ein Siliziumsubstrat 310, das für optische Signale, die Licht einer langen Wellenlänge verwenden, transparent ist.
  • Auf dem Siliziumsubstrat 310 wird beispielsweise dadurch eine Linse 320 gebildet, daß abwechselnde Schichten aus Polysilizium und Oxid gebildet werden, um die gewünschte Form oder die gewünschten Charakteristika einer Beugungs- oder Brechungslinse zu erzielen. Eine gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT, mit dem Titel „Methods to Make Diffractive Optical Elements", Anwaltsaktenzeichen 10030769-1, beschreibt einige Prozesse, die für eine Herstellung der Linse 320 geeignet sind.
  • Auf dem Siliziumsubstrat 310 ist eine planarisierte isolierende Schicht 330 gebildet, um die Linse 320 zu schützen und um eine flache Oberfläche zu liefern, auf der die Metallisierung strukturiert werden kann. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Schicht 330 eine TEOS-Schicht (TEOS = Tetraethylorthosilicat), die etwa 10.000 Å dick ist.
  • Leiterbahnen 340 können aus einer Metallschicht, z. B. einem 10.000 Å dicken TiW/AlCu/TiW-Stapel, strukturiert werden. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel bildet ein Prozeß, der ein Aufdampfen eines Metalls auf die Schicht 330 und einen Abhebeprozeß, um unerwünschtes Metall zu beseitigen, umfaßt, Bahnen 340. Eine isolierende Schicht 332 (z. B. eine weitere TEOS-Schicht einer Dicke von etwa 10.000 Å) kann aufgebracht werden, um die Bahnen 340 zu vergraben und zu isolieren. Die isolierende Schicht kann Öffnungen 338 umfassen, die optional mit Au bedeckt sind (nicht gezeigt), um die Fähigkeit zu liefern, unter Verwendung eines Drahtbondens elektrische Verbindungen herzustel len. Auf diese Weise kann eine beliebige Anzahl von Schichten von vergrabenen Bahnen gebildet werden. Eine Passivierungsschicht 334 eines relativ harten und chemikalienbeständigen Materials wie z. B. Siliziumnitrid in einer etwa 4.500 Å dicken Schicht kann auf den anderen isolierenden Schichten gebildet sein, um die darunterliegende Struktur zu schützen. Zum Zweck eines Verbindens/Anlötens mit bzw. an einer Abdeckung ist auf der Passivierungsschicht 334 eine Metallschicht 360 (z. B. ein Ti/Pt/Au-Stapel einer Dicke von etwa 5.000 Å) gebildet.
  • Die Montagebasen in den oben beschriebenen Gehäusen können eine passive oder eine aktive Schaltungsanordnung beinhalten. 3B veranschaulicht den Entwurf einer Montagebasis 350, die ein Substrat 310 umfaßt, in dem und auf dem eine aktive Schaltung 370 hergestellt wurde. Die aktive Schaltung 370 kann verwendet werden, um Eingangs- oder Ausgangssignale von einem Chip oder von Chips, die an der Montagebasis 350 befestigt werden, zu verarbeiten. Das Substrat 310 ist ein Halbleitersubstrat, auf dem die integrierte aktive Schaltung 370 unter Verwendung von standardmäßigen IC-Verarbeitungstechniken hergestellt werden kann. Nachdem die Schaltung 370 festgelegt wurde, werden interne Anschlußflächen bzw. Anschlüsse 342 für eine Verbindung mit einem Optoelektronisches-Bauelement-Chip und externe Verbindungsanschlußflächen bzw. Anschlüsse 344 zum Verbinden mit der Außenwelt gebildet und miteinander und/oder mit der aktiven Schaltung 370 verbunden. Bei dem in 3B veranschaulichten Ausführungsbeispiel nehmen die externen Anschlußflächen 344 I-/O-Signale wie z. B. Leistungsversorgungs-, Masse- und Datensignale auf.
  • Das optische Element 320 befindet sich in einem Bereich des Substrats 310, der frei von elektronischen Bahnen oder Komponenten ist, um den reflektierten Pfad des optischen Signals aufzunehmen.
  • Der Lötring 360 zum Befestigen einer Abdeckung ist zwischen der aktiven Schaltung 370 und externen Verbindungsanschlußflächen 344 gebildet. Eine einzelne Abdeckung, die bemessen ist, um einen Zugriff auf die externen Verbindungsanschlußflächen 344 zu ermöglichen, kann an dem Lötring 360 befestigt sein. Alternativ dazu kann der Abdeckungswafer bei einem Waferebene-Häusungsprozeß, bei dem mehrere Abdeckungen in einem Abdeckungswafer hergestellt werden, teilweise geätzt werden, um externe Anschlußflächen 344 aufzunehmen, bevor der Abdeckungswafer an einem Montagebasiswafer befestigt wird.
  • 4A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung 400, die sich für eine Befestigung an der Montagebasis 300 der 3A eignet. Die Abdeckung 400 kann unter Verwendung von standardmäßigen Waferverarbeitungstechniken hergestellt werden. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet ein anisotropes Ätzen eines Siliziumsubstrats 410 einen Hohlraum 420, der eine sehr glatte Facette 430 auf einer <111> Ebene der Siliziumkristallstruktur aufweist. Zumindest die Zielfacette 430 des Hohlraums 420 ist reflektierend oder mit einem reflektierendem Material (z. B. einem Ti/Pt/Au-Metallstapel) beschichtet. Dies ermöglicht, daß die Facette 430 der Abdeckung 400 als Reflektor fungiert.
  • 4B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung 450 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Abdeckung 450 umfaßt eine Struktur 460, die aus zwei Schichten gebildet ist, die einen Abstandshalterring 462 und eine Trägerplatte 464 umfassen. Ein Vorteil der Abdeckung 450 besteht darin, daß die zwei Schichten 462 und 464 auf unterschiedliche Weise verarbeitet und/oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. Insbesondere kann der Abstandshalterring 462 aus Silizium hergestellt sein, das vollständig durchgeätzt ist, um einen Ring zu bilden, der planare Spiegeloberflächen 430 bei dem gewünschten Winkel aufweist, und die Trägerplatte 464 kann aus einem Material wie z. B. Glas hergestellt sein, das für kürzere Lichtwellenlängen transparent ist.
  • Um ein Optisches-Bauelement-Gehäuse unter Verwendung der Montagebasis 300 und der Abdeckung 400 oder 450 zusammenzubauen, wird an der Montagebasis 300 unter Verwendung von herkömmlichen Chipbefestigungs- und Drahtbondungsprozessen oder, alternativ dazu, unter Verwendung von Flip-Chip-Häusungsprozessen ein Laser angebracht. Elektrische Verbindungen mit den Bahnen 340 auf der Montagebasis 300 können den Laser mit Leistung versorgen und Datensignale an den oder von dem Chip übermitteln. Die Abdeckung 400 oder 450 wird an der Montagebasis 300 befestigt, nachdem der Laser befestigt wurde. Dies kann entweder auf der Einzelgehäuseebene oder auf einer Waferebene erfolgen, die oben beschrieben wurde. Durch ein Strukturieren von AuSn (oder eines anderen Lötmittels) auf die Montagebasis 300 oder die Abdeckung 400 kann eine hermetische Abdichtung erhalten werden, so daß, wenn die Wafer zusammenplaziert werden, ein Lötmittelaufschmelzvorgang eine hermetische Abdichtung erzeugt, die den umschlossenen Laser schützt.
  • 5 veranschaulicht eine optische Unterbaugruppe bzw. ein Gehäuse 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gehäuse 500 umfaßt einen Kantenemissionslaser 510. Der Laser 510 ist an einer Montagebasis 520 angebracht und elektrisch mit derselben verbunden und ist in einem Hohlraum 540 abgedichtet, der hermetisch abgedichtet wird, wenn eine Abdeckung 530 mit der Montagebasis 520 verbunden wird. Der Hohlraum 540 veranschaulicht eine Konfiguration, bei der die Abdeckung 530 aus einem Silizium hergestellt ist, das eine <100> Ebene bei einem Winkel von 9,74° von ihrer unteren und ihrer oberen Hauptoberfläche aufweist. Die Abdeckung 540 kann naß geätzt werden, so daß sich die Oberfläche für einen Reflektor 550 entlang einer <111> Ebene des Siliziumsubstrats bildet und somit einen 45°-Winkel mit den Hauptoberflächen der Abdeckung 530 und der Montagebasis 520 aufweist.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Überwachungseinrichtungschip 515 ebenfalls an der Montagebasis 520 angebracht und elektrisch mit derselben verbunden. Der Überwachungseinrichtungschip 515 enthält eine Photodiode, die die Intensität des optischen Signals von dem Laser 510 mißt. Dies ermöglicht ein Überwachen des Lasers in dem Laser 510, um einen gleichmäßigen Ausgang zu gewährleisten.
  • Ein Pfosten 560 ist mit dem optischen Signal, das nach einer Reflexion von dem Reflektor 550 von dem Chip 510 emittiert wird, ausgerichtet. Insbesondere kann der Pfosten 560 an der Stelle, an der der Lichtstrahl austritt, auf der Montagebasis 520 an die richige Stelle epoxidiert werden. Der Pfosten 560 kann viele Formen aufweisen, einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines hohlen Zylinders oder einer massiven Struktur wie z. B. eines Zylinders oder einer Sphäre eines optisch transparenten Materials. Der Pfosten 560 fungiert als Ausrichtungsmerkmal zum Ausrichten einer optischen Faser in einem Verbinder mit dem Licht, das von dem Laser in dem Gehäuse 500 emittiert wird.
  • 6 veranschaulicht eine optische Unterbaugruppe oder ein Gehäuse 600 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gehäuse 600 umfaßt Chips 510 und 515, die mit einer Montagebasis 520, wie sie oben beschrieben wurde, verbunden sind. Statt eine Abdeckung mit einem integrierten Reflektor aufzuweisen, weist das Gehäuse 600 einen Reflektor 630 auf, der das optische Signal von dem Laser 510 durch die Montagebasis 520 reflektiert. Der Reflektor 630 kann aus Glas, Silizium oder einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, das geformt und beschichtet werden kann, um eine reflektierende Facette, die die gewünschte Orientierung aufweist, zu liefern. Der Pfosten 560 ist dort, wo das optische Signal aus der Montagebasis 520 hervortritt, an der Montagebasis 520 befestigt.
  • Ein Kapselungsmaterial 640 wie z. B. Silizium oder ein anderes geeignetes Material, das für das optische Signal transparent ist, umgibt und schützt die Chips 510 und 515. 6 zeigt das Kapselungsmaterial 640, wie es die Chips 510 und 515 und den Reflektor umhüllt, jedoch kann die Größe und Form des Kapselungsmaterials 640 variiert werden. Allgemein sollte das Kapselungsmaterial 640 ausreichend sein, um die Chips 510 und 515 abzudecken und den Raum zwischen dem Laser 510 und dem Reflektor 630 zu füllen, um eine Störung des optischen Signals zu minimieren. Herkömmliche Techniken wie z. B. Entgasen und eine sorgfältige Aufbringung des Kapselungsmaterials 640 können verwendet werden, um eine Störung des optischen Signals während der Übertragung durch das Kapselungsmaterial 640 zu vermeiden.
  • 7 zeigt eine optische Baugruppe 700, die die Unterbaugruppe 500 der 5 enthält. Eine optische Baugruppe, die eine Unterbaugruppe 600 enthält, könnte einen ähnlichen Aufbau aufweisen. Eine Baugruppe 700 umfaßt eine Hülse 720, die den Pfosten 560 des Gehäuses 500 enthält, und eine optische Faser 730 in einer Ferrule 740. Die Ferrule 740 kann ein Bestandteil eines herkömmlichen Optikfaserverbinders (nicht gezeigt) sein. Die Hülse 720 ist im Grunde ein Hohlzylinder, der eine Bohrung aufweist, die sowohl den Pfosten 560 als auch die Ferrule 740 aufnimmt. Dementsprechend kann der Innendurchmesser eines Endes der Hülse 720 bemessen sein, um standardmäßige Optikfaserferrulen aufzunehmen, die eine beliebige Größe aufweisen können, üblicherweise jedoch einen Durchmesser von 1,25 mm oder 2,5 mm aufweisen. Für eine gleichmäßige Bohrung, wie sie beispielsweise in der Hülse 720 der 7 gezeigt ist, weist der Pfosten 560 einen Durchmesser auf, der dem Durchmesser der Ferrule 740 entspricht. Alternativ dazu kann sich der Durchmesser der Bohrung in der Hülse 720 an jedem Ende unterscheiden, um den Pfosten 560 bzw. die Ferrule 740 aufzunehmen. Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel können die Funktionen der Hülse 720 und der Ferrule 740 in einer einzigen Struktur kombiniert werden, die eine optische Faser (die z. B. einen typischen Nacktdurchmesser von etwa 125 μm aufweist) enthält, die mit einer Öffnung ausgerichtet ist, die den Pfosten 560 (der z. B. einen Durchmesser von etwa 1 mm oder mehr aufweist) aufnimmt.
  • Die obere Oberfläche des Pfostens 560 fungiert als Faserstopp und steuert die „z" Positionen der Ferrule 740 und somit der optischen Faser 730 relativ zu dem Laser 510. Die Länge des Pfostens 560 ist somit bezüglich eines effizienten Koppelns des optischen Signals von dem Gehäuse 500 in die optische Faser, die an den Pfosten 560 anstößt, ausgewählt. Insbesondere hängt die Länge des Pfostens 560 von etwaigen Fokussierungselementen ab, die in und auf der Montagebasis 520 gebildet sein können.
  • Die Passung des Pfostens 560 und der Ferrule 740 in die Hülse 720 gibt die Position in einer „x-y"-Ebene des Pfostens 560 und der optischen Faser 730 vor. Auf diese Weise ist die optische Faser 730 in der x-y-Ebene relativ zu dem Pfosten 560 mittig angeordnet, wodurch das von dem Laser 510 emittierte Licht auf der optischen Faser 730 zentriert wird. Dementsprechend vereinfacht eine ordnungsgemäße Positionierung eines Pfostens 560, der die gewünschte Länge aufweist, während der Herstellung des Gehäuses 500 eine Ausrichtung der optischen Faser 730 zum Zweck eines effizienten Koppelns des optischen Signals.
  • Externe Anschlüsse des Gehäuses 500 oder 600 sind allgemein mit einer Schaltungsplatine verbunden, die andere Komponenten eines optischen Senders oder eines optischen Sende-/Empfangsgeräts enthält. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Anschlüsse auf der oberen Oberfläche des Gehäuses mit einer flexiblen Schaltung 810 verbunden sind. Die flexible Schaltung 810 ist allgemein ein flexibles Band oder Substrat, das Leiterbahnen enthält, die an externe Anschlüsse des Gehäuses 500 oder 600 angelötet sein können. Ein Loch kann durch die flexible Schaltung 810 gebildet sein, um vorstehende Strukturen wie z. B. die Abdeckung 530 oder das Kapselungsmaterial 640 des Gehäuses 500 oder 600 aufzunehmen. Eine starre Schaltungsplatine 820, auf der andere Komponenten 830 des optischen Senders oder Sende-/Empfangsgeräts angebracht sind, ist durch die flexible Schaltung 810 und die Montagebasis in dem Gehäuse mit dem optoelektronischen Bauelement in dem Gehäuse 500 oder 600 elektrisch verbunden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung können Außenanschlüsse eines Gehäuses 500 oder 600 direkt mit einer starren Schaltungsplatine verbunden sein, vorausgesetzt, daß die sich ergebende Orientierung der Hülse 720 für einen Optikfaserverbinder zweckmäßig ist.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Beschreibung lediglich ein Beispiel der Anmeldung der Erfindung und sollte nicht als einschränkend angesehen werden. Verschiedene Adaptationen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele fallen in den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Patentansprüche definiert ist.

Claims (26)

  1. Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Montagebasis (520), die Leiterbahnen enthält; einen Kantenemissionslaser (510), der mit den Leiterbahnen elektrisch gekoppelt ist; und einen Reflektor (550), der positioniert ist, um ein optisches Signal von dem Kantenemissionslaser (510) durch die Montagebasis (520) zu reflektieren.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen Ausrichtungspfosten (560) aufweist, der dort an der Montagebasis (520) befestigt ist, wo das optische Signal aus der Montagebasis (520) hervortritt.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Linse (320) in dem Pfad des optischen Signals aufweist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Linse (320) entlang des Pfades der optischen Signals in die Montagebasis (520) integriert ist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, bei der die Linse (320) ein optisches Beugungselement umfaßt.
  6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Reflektor (550) einen Abschnitt einer Innenwand eines Hohlraums (540) in einer Abdeckung (530) aufweist, die über dem Chip liegt.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Abdeckung (530) an der Montagebasis (520) befestigt ist, um den Chip in dem Hohlraum (540) hermetisch abzudichten.
  8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner ein transparentes Kapselungsmaterial (640) aufweist, das an der Montagebasis (520) befestigt ist und den Chip umhüllt.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der das Kapselungsmaterial (640) Silizium umfaßt.
  10. Verfahren, das folgende Schritte umfaßt: elektrisches Verbinden eines Lasers (510) mit einer Montagebasis (520); und Befestigen eines Reflektors (550) an der Montagebasis (520) an einer derartigen Position, daß ein optisches Signal von dem Laser (510) durch die Montagebasis (520) reflektiert wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner ein Befestigen eines Ausrichtungspfostens (560) an der Montagebasis (520) an der Stelle umfaßt, an der das optische Signal hervortritt.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, das ferner ein Einkapseln des Lasers (510) in einem transparenten Material, das den Laser (510) schützt, umfaßt.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das transparente Material Silizium umfaßt.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem der Laser (510) ein Kantenemissionslaser ist.
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem das elektrische Verbinden des Lasers (510) ein Verbinden einer Mehrzahl von Lasern mit einem Montagebasiswafer (120) umfaßt, der die Montagebasis (520) umfaßt.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner ein Schneiden des Montagebasiswafers (120), um die Montagebasis (520) von ähnlichen Montagebasen zu trennen, umfaßt.
  17. Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Montagebasis (520), die Leiterbahnen enthält; einen Chip, der einen Laser (510) enthält, der mit den Leiterbahnen in der Montagebasis (520) elektrisch gekoppelt ist; und einen Reflektor (550), der positioniert ist, um ein optisches Signal von dem Laser (510) durch die Montagebasis (520) zu reflektieren.
  18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der der Reflektor (550) einen Abschnitt einer Innenwand eines Hohlraums (540) in einer Abdeckung (530) aufweist, die an der Montagebasis (520) befestigt ist und den Laser (510) in dem Hohlraum (540) hermetisch abdichtet.
  19. Vorrichtung gemäß Anspruch 17 oder 18, die ferner ein transparentes Kapselungsmaterial (640) aufweist, das an der Montagebasis (520) befestigt ist und den Laser (510) umhüllt.
  20. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, die ferner einen Ausrichtungspfosten (560) aufweist, der dort an der Montagebasis (520) befestigt ist, wo das optische Signal aus der Montagebasis (520) hervortritt.
  21. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, die ferner ein optisches Element (320) aufweist, das entlang des Pfads des optischen Signals in die Montagebasis (520) integriert ist.
  22. Verfahren, das folgende Schritte umfaßt: elektrisches Verbinden eines Chips, der einen Laser (510) enthält, mit einer Montagebasis (520); und Befestigen eines Reflektors (550) an der Montagebasis (520) an einer derartigen Position, daß ein optisches Signal von dem Laser (510) durch die Montagebasis (520) reflektiert wird.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 22, das ferner ein Befestigen eines Ausrichtungspfostens (560) an der Stelle an der Montagebasis (520) umfaßt, wo das optische Signal aus der Montagebasis (520) hervortritt.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, das ferner ein Einkapseln des Lasers (510) in ein transparentes Kapselungsmaterial (640), das den Laser schützt, umfaßt.
  25. Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, bei dem das Befestigen des Reflektors (550) ein Befestigen einer Abdeckung (530) an der Montagebasis (520), um den Laser (510) in einem Hohlraum (540) hermetisch abzudichten, umfaßt, wobei der Reflektor (550) an einer Wand des Hohlraums (540) integriert ist.
  26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem das elektrische Verbinden des Lasers (510) ein Verbinden einer Mehrzahl von Lasern (110) mit einem Montagebasiswafer (120) umfaßt, der die Montagebasis (520) umfaßt, und bei dem das Verfahren ferner ein Schneiden des Montagebasiswafers (120) umfaßt, um die Montagebasis (520) und den an derselben befestigten Laser (510) von ähnlichen Montagebasen, an denen Laser (110) befestigt sind, zu trennen.
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