DE102005032593B4 - Optisches Modul mit einer Leichtleitfaser und einem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

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Abstract

Optisches Modul mit einer Lichtleitfaser (110), einem lichtemittierenden Bauteil (40; 50) und einem lichtempfangenden Bauteil (60), insbesondere einem Halbleiterbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (40; 50) und das lichtempfangende Bauteil (60) jeweils mittels Beschichten einer zugehörigen Faserendfläche (100) der Lichtleitfaser (110) als eine Schichtanordnung mit einem optisch aktiven Schichtbereich auf der zugehörigen Faserendfläche (100) aufgebracht sind, so dass von dem optisch aktiven Schichtbereich des lichtemittierenden Bauteils (40; 50) Licht durch die zugehörige Faserendfläche (100) in die Lichtleitfaser (110) emittiert und aus der Lichtleitfaser (110) empfangen werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optisches Modul mit einer Lichtleitfaser und einem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil und Verfahren zum Herstellen.
  • Stand der Technik
  • Die Weiterleitung von Photonen (Licht) über längere Strecken kann über Glas- oder Polymerfasern erfolgen. Als Lichtquellen zum Erzeugen der Photonen dienen beispielsweise LEDs („light emitting diode"), OLEDs („organic light emitting diode") oder Laserdioden, wie kantenemittierende Laser, VCSELs („vertical cavity surface emitting laser") und Quanten-Kaskaden-Laser. Die Lichtenergie soll dabei möglichst vollständig in den durch Totalreflexion wellenleitenden Kern der Glas- oder Polymerfaser eingekoppelt werden. Bei bisher bekannten Systemen wird dafür üblicherweise eine optische Koppeleinheit, zum Beispiel eine Linse, eingesetzt. Lichtquelle und Faser können dabei auch über eine Steckverbindung aus Plastik zusammengesteckt werden, wobei die Linse auf der Seite der Lichtquelle integriert ist. Am anderen Ende der Faser als Endpunkt der Lichtwellenleitung können die Photonen über Detektoren empfangen werden. Auch hier erfolgt die Auskopplung der Photonen aus der Faser in den Detektor üblicherweise über eine Linse als Koppeloptik.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bekannten Anordnung von Bauelementen für die Kopplung von Licht aus einer Lichtquelle in eine Lichtleitfaser. Dargestellt sind ein die Lichtquelle A enthaltenes Metallgehäuse B, übergehend in den ersten Teil eines Plastikgehäuses für eine Steckverbindung E, das eine erste Linse als Koppeloptik C enthält, durch die die erzeugten Photonen D in einen vom Fasermantel G umgebenen Faserkern H eingekoppelt werden. Die weitergeleiteten Photonen I werden durch eine zweite Linse als Koppeloptik J zu einem Detektor K gelenkt. Als Hauptanwendung für diese Art der Lichtweiterleitung gilt der Einsatz in der Nachrichtenübertragung im Bereich der optischen Telekommunikation.
  • Verschiedene Dokumente beschreiben die Verwendung einer Linsenkoppeloptik, wie beispielsweise das Dokument DE 199 47 889 C2 und das Dokument DE 103 14 494 B3 . Das Dokument DE 102 38 741 A1 beschreibt eine planare optische Komponente mit Verwendung eines Linsenarray und mehreren Lichtleitern. In dem Dokument DE 103 11 571 A1 wird die Verwendung einer Koppeloptik mit dem Begriff "Beugungsstruktur", in dem Dokument DE 103 11 507 A1 mit dem Begriff "Abbildungssystem" umschrieben.
  • Statt Linsen als Koppeloptik werden auch andere Koppeleinheiten oder Koppelmittel beschrieben. In dem Dokument DE 102 48 505 B4 wird als Koppelmittel ein optisch transparentes Elastomer genannt. Das Dokument JP 2004214328 A beschreibt die Ankopplung mittels Silikonharz. In dem Dokument DE 102 46 532 A1 ist eine transparente brechungsindexangepasste, als Spritzgussteil ausgebildete Koppeleinheit beschrieben.
  • Das Dokument DE 103 14 495 B3 offenbart eine optische Koppeleinheit für eine Strahlumlenkung bestehend aus einem Glasblock mit durch Brechungsindexvariationen erzeugten Lichtleitungskanälen und mindestens einer Reflexionsfläche zur Umlenkung der Lichtsignale.
  • Das Dokument DE 101 27 542 C2 beschreibt die Verwendung eine Kopplungsanordnung mittels parabolischen oder sphärischen Spiegeln.
  • Im Dokument DE 199 48 372 C2 erfolgt die Einkopplung des Strahlungsbündels in die Lichtleitfaser über einen Polarisationsfilter in der Justagehülse, die in einer Art Steckverbindung in das die Lichtquelle enthaltene Gehäuse einschiebbar ist. Steckverbindungen werden weiterhin beschrieben durch in dem Dokument DE 199 16 397 C2 . Das Dokument JP 09211270 beschreibt die optische Kopplung über Beugungsgitter, welches aus fluoridiertem PMMA mit einer Aluminiumbeschichtung gebildet wird und wie ein konkaver Spiegel ausgeführt ist.
  • Weitere Dokumente, die sich mit der Verbindung eines Halbleiterlasers und einer Lichtleitfaser befassen sind JP 06034852 , US 2001/0017964 A1, JP 2004266099 , JP 05323158 , US 2002/0039805, WO 00/68721, WO 99/45612, DE 100 33 485 C2 .
  • Eine Sende-/Empfangseinheit wird in dem Dokument DE 195 48 547 A1 beschrieben. Hierin wird das Problem des optischen Übersprechens von Laser und Photodiode der gleichen Sende-/Empfangseinheit gelöst.
  • Das Dokument EP 0 579 437 B1 befasst sich mit einem analogen optischen Faserkommunikationssystem, worin ein DFB („distributed feedback laser") zum Einsatz kommt.
  • Das Dokument JP 2004200366 beschreibt ein Send-/Empfangsmodul, in dem die durch das Modul ausgesendete Strahlung durch eine Beschichtung vom Empfänger abgeschirmt wird, wobei die Beschichtung das empfangene optische Signal völlig durchlässt. Das Dokument DE 198 07 782 A1 beschreibt ein Bauelement mit Lichtsender und Lichtempfänger, die hintereinander auf einem Substrat angeordnet sind. Das Dokument US 6,027,255 beschreibt ein bidirektionales Modul, in dem eine polierte, gewinkelte Faserendfläche mit einem Laserchip und lichtempfangenden Elementen verbunden wird. Das Dokument US 5,933,551 beschreibt ein bidirektionales Kommunikationsmodul, welches über eine Furche („v-groove") mit einer Lichtleitfaser verbunden wird. Das Dokument US 5,359,447 beschreibt einen VCSEL, der an eine Multimodefaser gekoppelt ist und unidirektional Daten an einen Empfänger sendet.
  • Der Aufbau optischer Netzwerke wird in dem Dokument US 2002/0039218 beschrieben, wobei auch VCSEL als Hardware genannt werden. Das Dokument DE 101 27 541 B4 beschreibt einen Sender mit mehreren unabhängig ansteuerbaren Lichtemittern und ein Verfahren zur Erzeugung optisch, digitaler Signalfolgen.
  • VCSEL werden routinemäßig und dann vereinzelt auf Halbleiterträgern (Substraten) hergestellt. Der prinzipielle Aufbau eines VCSEL ist bekannt (vgl. zum Beispiel Weng W. Chow et al.: "Design, Fabrication and Performance of Infrared and Visible Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33, No. 10, October 1997).
  • Ebenfalls bekannt ist die Fertigung von "quantum wells" mittels "beam-epitaxy" (Herman et al.: "Epitaxy – Physical foundation and technical implementation", Reihe: Springer Series in Materials Science, Band 62, Springer, Berlin, 2004). Dies bedeutet, dass aus der Gasphase mittels Molekularstrahl-Epitaxy (MBE – „molecular beam epitaxy") oder Festphase mittels chemischer Strahlepitaxie (CBE – „chemical beam epitaxy") Halbleiterschichten abgeschieden werden können, die epitaktisch wachsen und die Grundlage für VSCEL oder Quanten-Kaskaden-Laser darstellen (vgl. DE 103 17 970 A1 und DE 695 25 566 T2 ).
  • Ebenso bekannt sind der Aufbau und die Herstellung von OLEDs, LEDs, Laserdioden und Photodetektoren. Das Dokument DE 696 10 675 T2 beschreibt einen integrierten Aufbau eines oberflächenemittierenden Lasers mit entsprechenden Monitoringelementen zur Intensitätssteuerung auf einem transparenten Halbleitersubstrat.
  • In dem Dokument DE 102 36 376 A1 wird eine Trägerplatte beschrieben, auf die eine Halbleiterstruktur, beispielsweise Laserdiode, ein VCSEL oder eine Photodiode, abgeschieden wird. Diese Trägerplatte ist nach dem dort beschriebenen Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass sie ein strahlformendes Element, insbesondere eine Linse ausbildet oder mit einer solchen verbunden ist. Der Träger kann nach dem dort beschriebenen Anspruch 12 aus Glas, Quarz, Kunststoff, Saphir, Diamant oder einem Halbleitermaterial bestehen, das für die Strahlung des zugeordneten optoelektronischen Bauelements transparent ist. Dies zeigt, dass nach dem Stand der Technik Halbleiterstrukturen, wie VCSELs auf Glas abscheidbar sind.
  • Das Dokument JP 2002286977 A beschreibt ein Verfahren, tun einen Laser über eine beschichtete Faser elektrisch und optisch zu verbinden. Der separate oberflächenemittierende Laser auf einem Substrat wird durch Erhitzen mit einer Faser, die mit einem Überzug versehen ist, welcher als elektrischer Kontakt mit dem Lasermodul dient und an der Endfläche am Faserkern ein Loch aufweist, verbunden. Dieses Patent kann als eine Art Vorläufer der hier präsentierten Erfindung gesehen werden, wobei hier noch eine getrennte Fertigung mit nachfolgender Montage eines Lasermoduls mit der Faserendfläche erfolgt.
  • Das US2004/0190584 A1 beschreibt eine mehrschichtige vertikale Hohlraum-Filmstruktur, bei der es sich insbesondere um einen oberflächenemittierenden Laser handelt und die auf einer optischen Faser abgeschieden ist. Erzeugtes Laserlicht wird über die Faserendflächen der optischen Faser abgegeben.
  • Das Dokument US2004/0202218 A1 beschreibt ein optisches Modul, wobei ein Halbleiterlaser, insbesondere ein oberflächenemittierenden Laser, an eine Faserendfläche einer Lichtleitfaser gekoppelt ist. Hierzu weist ein Substrat, auf dem der Halbleiterlaser abgeschieden ist, eine Öffnung auf, in welche ein Endabschnitt mit der Faserendfläche der Lichtleitfaser eingesteckt ist. Die Lichtleitfaser bildet einen Verstärkungsbereich des Halbleiterlasers.
  • Die Einkopplung von Lichtquellen in optische Fasern über eine Koppeloptik ist mit Verlusten verbunden. An den Grenzflächen der einzelnen Bauelemente treten Fresnel-Reflexionen auf, die etwa 4% an jeder Luft-Glas-Grenzfläche betragen und die sich für übliche lichtleitfasergestützte Sende- und Empfangsvorrichtungen zu Verlusten von beispielsweise bis zu 25% summieren können.
  • Die Abstrahlung von Laserdioden oder oberflächenemittierenden Lasern erfolgt nicht kollimiert, sondern in einem mehr oder weniger divergierenden Strahl. Wird das Licht also nicht gezielt in die Faser geführt (Kopplungslinse), so treten Verluste aufgrund des Abstandes und des Unterschiedes zwischen dem (Eintritts-)Akzeptanzwinkel der Lichtleitfaser und der Abstrahlungsdivergenz der Lichtquelle auf, so dass nicht die volle emittierte Lichtleistung in die Faser eingekoppelt werden kann. Dies ist durch eine direkte Verbindung von Faser mit dem lichterzeugenden Element zu verhindern.
  • Weiterhin ist es bei der im Stand der Technik üblichen Verwendung von Koppeloptiken, zum Beispiel Linsen, notwendig, den Fokus auf den Ort des Faserkerns zu justieren, wobei sowohl thermische, als auch mechanische Stabilität in Hinblick auf eine ungewollte Verschiebung der Bauteile zu gewährleisten ist. Dies führt zu einer zeit- und kostenaufwendigen Produktions- und Montagetechnik. Bisherige Verfahren sind also für eine Massenproduktion aus Sicht des Produktionsverfahrens und aus Sicht der Qualitätsprüfung nicht geeignet.
  • Die Einkopplung der Photonen aus Lichtquellen in Fasern über eine Koppeleinheit ist mit Verlusten verbunden. An den Grenzflächen der einzelnen Bauelemente treten Fresnel-Reflexionen auf, die zu etwa 4 % Verlust an der Luft-Glas-Grenzfläche führen. Bei den bisher bekannten Systemen mit Koppeloptiken wie Linsen ergeben sich dadurch über die entstehenden Grenzflächen, wie von dem Luftspalt zwischen Lichtquelle und Linse zur Linse, der Linse zum nachfolgenden Luftspalt, sowie von diesem Luftspalt zur Faser, mindestens 12 % Verluste beim Einkoppeln von Photonen in den Faserkern. Ebenso verhält es sich am Ende der Faser bei der Detektion der Photonen, so dass es mit den bekannten Systemen bei der Lichtübertragung insgesamt zu etwa 25 % Verlusten kommt.
  • US 5,546,413 A beschreibt eine lichtemittierende optische Faser, welche hergestellt wird, indem auf einem Ende einer optischen Faser schichtweise ein lichtemittierendes Bauelement aufgetragen wird.
  • Auch das Dokument DE 36 05 019 A1 beschreibt eine Glasfaser, auf deren einer Endfläche eine Schichtanordnung aufgetragen ist, welche eine Lumineszenzdiode bildet.
  • In den Dokumenten DE 39 25 189 C1 und DE 35 36 544 A1 sind jeweils optische Fasern beschrieben, auf deren Endflächen Schichtanordnungen aufgetragen sind, welche Photodetektoren bilden.
    •
  • Die Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Modul mit einer Lichtleitfaser und einem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil und ein Verfahren zum Herstellen zu schaffen, bei denen eine verbesserte optische Kopplung zwischen der Lichtleitfaser und dem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil erreicht wird, so dass Kopplungsverluste minimiert sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optisches Modul nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein optisches Modul mit einer Lichtleitfaser und einem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil, insbesondere einem Halbleiterbauteil, geschaffen, bei dem das lichtemittierende/lichtempfindliche Bauteil mittels Beschichten einer Faserendfläche der Lichtleitfaser als eine Schichtanordnung mit einem optisch aktiven Schichtbereich auf der Faserendfläche aufgebracht ist, so dass von dem optisch aktiven Schichtbereich Licht durch die Faserendfläche in die Lichtleitfaser emittiert und/oder aus der Lichtleitfaser empfangen werden kann.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Moduls, mit einer Lichtleitfaser und einem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil, insbesondere einem Halbleiterbauteil geschaffen, bei dem das lichtemittierende/lichtempfindliche Bauteil mittels Beschichten einer Faserendfläche der Lichtleitfaser als eine Schichtanordnung mit einem optisch aktiven Schichtbereich auf der Faserendfläche aufgebracht wird, so dass von dem optisch aktiven Schichtbereich Licht durch die Faserendfläche in die Lichtleitfaser emittiert und/oder aus der Lichtleitfaser empfangen werden kann.
  • Das lichtemittierende/lichtempfangende Bauteil als Schichtstruktur, beispielsweise als ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser, wird mittels Beschichtungsverfahren direkt auf die Faserendfläche des Lichtleiters aufgebracht, wodurch im Vergleich zu der im Stand der Technik vorgesehenen Verwendung von Koppeloptiken Kopplungsverluste vermieden werden. Das lichtemittierende/lichtempfangende Bauteil wird auf diese Weise in die Faserendfläche integriert, so dass Glas-Luft-Grenzflächen infolge der direkten Beschichtung vermieden sind, die gemäß den obigen Ausführungen beim Stand der Technik zu wesentlichen Verlusten führen. Kosten werden eingespart, da auf Koppeloptiken verzichtet werden kann. Bei der Lichtleitfaser kann es sich bevorzugt um eine Glasfaser handeln.
  • Da das lichtemittierende/lichtempfangende Bauteil fest auf den Faserkern aufgebracht ist, entfallen Probleme der Justierung beim Ein- und Ausbau dieser Module, und das gesamte System wird dadurch viel robuster. Die einzigen mechanisch anfälligen Verbindungen bestehen nun aus biegsamen Kontaktdrähten. Im Stand der Technik ist es wegen der üblichen Verwendung von Koppeloptiken wie Linsen hingegen notwendig, den Fokus auf den Ort des Faserkerns zu justieren. Koppeloptik und Faser sind exakt und stabil zueinander zu positionieren. Hierbei ist sowohl die thermische, als auch die mechanische Stabilität zu gewährleisten, so dass es nicht zu einer ungewollten Verschiebung der Position von Lichtquelle, Koppeloptik und Faser untereinander kommt. Die erforderliche laterale Genauigkeit im Bereich von 1 μm führt zu einer zeit- und kostenaufwendigen Produktionstechnik.
  • Außerdem wird mit der Erfindung eine weitere Miniaturisierung der Bauelemente gegenüber dem Stand der Technik erreicht, da auf den Einbau jeglicher Koppelmittel verzichtet werden kann.
  • Weiterer Vorteil der Erfindung ist die kostengünstige Produktion der optischen Module in Massenfertigung. Beschichtungsanlagen können eine Vielzahl von Faserenden fassen, so dass mit einem Beschichtungsprozess eine große Menge gleichzeitig hergestellt werden kann. Eine Automatisierung des Herstellungsprozesses wird möglich.
  • In Verbindung mit der Erfindung bleiben darüber hinaus die bei Nutzung von Glasfasern im Vergleich zur elektrisch leitenden Datenübertragung sich ergebenden Vorteile erhalten, beispielsweise im Zusammenhang mit starken Wechsel-Magnetfelder oder der Abhörsicherheit oder elektromagnetischen Störungen einer Messumgebung. Bekannt ist in diesem Zusammenhang beispielsweise, dass während der Bildaufnahme in Kernspintomographen die elektromagnetischen Hochfrequenz-Schwingungen der ausgelenkten magnetischen Dipole im Gleichfeld mit empfindlichen Spulen detektiert werden. Die Räume werden aus diesem Grund meist vollständig elektromagnetisch geschirmt. Allerdings werden Daten aus dem Tomographen zur Rekonstruktion an (außerhalb der Schirmung stehende) Rechner weitergeleitet. Auch im Umfeld von Hochspannungsleitungen ergeben sich Vorteile, da die Glasfaser Daten aus einem Bereich von Hochspannung mit einigen 100 kV im Sinne eines Optokopplers übertragen kann.
    •
  • Ausführungsbeispiele für die Erfindung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Anordnung von Bauelementen für die Kopplung von Licht aus einer Lichtquelle in eine Lichtleitfaser;
  • 2 eine schematische Darstellung eines optischen Moduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf einer Faserendfläche ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser (VCSEL) mittels Beschichten aufgebracht ist;
  • 3 eine schematische Darstellung eines optischen Moduls nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf einer Faserendfläche eine lichtemittierende organische Diode (OLED) mittels Beschichten aufgebracht ist;
  • 4 eine schematische Darstellung eines optischen Moduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf einer Faserendfläche ein Photodetektor mittels Beschichten aufgebracht ist; und
  • 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beschichten einer Faserendfläche einer Lichtleitfaser mit einem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Moduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf eine Faserendfläche ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser (VCSEL) mittels Beschichten aufgebracht ist.
  • Auf einer Faserendfläche 100 einer Glasfaser 110 ist ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL) 40 gebildet, wodurch eine kohärente Lichtquelle bereitgestellt ist. Der oberflächenemittierende Laser 40 ist mit Hilfe einer Schichtanordnung gebildet, die zwei dielektrische Schichtstapel 41, 43, welche jeweils als ein Spiegel dienen, und eine dazwischen liegende lichterzeugende laseraktive Halbleiterschicht 42, welche einen optisch aktiven Schichtbereich bildet, aufweist. Der dielektrische Schichtstapel 41 kann alternativ gegen eine elektrisch leitende, hochreflektierende Schicht ausgetauscht werden.
  • Gemäß 2 sind weiterhin eine Spannungsquelle 1, ein biegsamer leitender Draht 2, eine bevorzugt mittig angebrachte Metallelektrode 3 zur Stromzuführung sowie eine bevorzugt als leitende transparente ITO-Schicht ausgeführte Elektrode 5 vorgesehen, die zur Stromabführung auf eine Mantelfläche 120 der Glasfaser 110 ausgedehnt ist.
  • Die Glasfaser 110 umfasst einen Fasermantel 6 und einen Faserkern 7. Der Strahlengang der in den vom Fasermantel 6 umgebenden Faserkern 7 eingekoppelten, kohärenten Photonen ist schematisch mit Hilfe von Pfeilen 8 dargestellt.
  • Die Ausführungsform nach 2, bei der auf der Faserendfläche 100 ein oberflächenemittierender Laser 40 aufgebracht ist, wird im folgenden anhand verschiedener Ausgestaltungen weiter erläutert.
  • Die Elektrode 5 zur Stromabführung ist bevorzugt als eine elektrisch leitende, optisch transparente Schicht ausgeführt, die zwecks Kontaktierung über die Mantelfläche 120 der Glasfaser 110 gebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, die Elektrode 5 zur Stromabführung als eine elektrisch leitende Metallschicht auszuführen, die im Bereich des Faserkerns 7 entfernt wird und zwecks Kontaktierung ebenfalls über die Mantelfläche 120 geführt ist.
  • Der dielektrische Schichtstapel 43 ist als eine faserseitige Bragg-Reflektor-Schicht aus verschiedenen Materialien und mit einer auf eine Emissionswellenlänge abgestimmten Schichtdicke ausgeführt. Es ist ein hohes Reflexionsvermögen für die Emissionswellenlänge vorgesehen, was für die Erzeugung des Laserprozesses notwendig ist. Die faserseitige Bragg-Reflektor-Schicht dient zur Auskopplung des in den oberflächenemittierenden Laser 40 erzeugten Lichtes in den Faserkern 7 (vgl. 2). Materialien und Ausgestaltungen derartiger Bragg-Reflektor-Schichten für oberflächenemittierende Laser sind dem Fachmann als solche bekannt.
  • Auf die faserseitige Bragg-Reflektor-Schicht folgt bei dem oberflächenemittierenden Laser 40 eine ebenfalls mittels Beschichtung aufgebrachte optisch aktive Zone. Als Material kann beispielsweise Gallium-Nitrid verwendet werden, so dass Licht im blauen Spektralbereich emittiert wird. Die optisch aktive Schicht kann beispielsweise mit Niedrigtemperatur-Beschichtungsverfahren bei etwa 70°C oder Sputtern aufgebracht werden. Lasermaterialien sind weiterhin InGaAsP, GaAlAs, GaInN oder GaInAsN. Es müssen nicht immer homogene Schichten mit Mikrokristalliten unterschiedlicher Größe aufgebracht werden, es können auch dünne Quantum-Well-Schichten als aktive Zone aufgebracht werden.
  • In der Schichtanordnung des oberflächenemittierenden Lasers 40 folgt dann eine weitere Bragg-Reflektor-Schicht 41, die hinsichtlich der verwendeten Materialien und der Schichtdicke wiederum auf eine Emissionswellenlänge abgestimmt ist. Es ist ein hohes Reflexionsvermögen für Licht der Emissionswellenlänge ausgebildet, um den Laserprozess zu unterstützen.
  • In der Schichtanordnung folgt dann die Elektrode 3 zur Stromzuführung (vgl. 2). Die Elektrode 3 ist aus einem elektrisch leitenden Material. Die Fläche der Elektrode 3 kann entweder etwa der Fläche der Faserendfläche 100 entsprechen oder kleiner als diese sein. Die Elektrode 3 ist von dem faserseitigen dielektrischen Schichtstapel 43 elektrisch isoliert. Die Steuerung des Elektronenflusses durch den oberflächenemittierenden Laser 40 erfolgt mittels der Abstimmung der Größe der Elektrode 3.
  • Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zwischen dem optisch aktiven Schichtbereich und der faserseitigen Bragg-Reflektor-Schicht eine elektrisch isolierende, optisch transparente Schicht aufgebracht ist, die einen Elektronenfluss durch den optisch aktiven Schichtbereich leitet. Diese Schicht umfasst einen Teil der Mantelfläche 120 der Glasfaser 110. Mittig weist die Schicht eine Öffnung auf, durch die der Elektronenfluss in den optisch aktiven Schichtbereich injiziert wird. Als alternative Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Schicht aus einem Metall gebildet wird, welches in Bereichen außerhalb des Faserkerns 7 gezielt inaktiviert wird, beispielsweise mittels Oxidierung. Die Abschnitte der Metallschicht im Bereich des Faserkerns 7 bleiben elektrisch leitend, so dass eine Elektroneninjektion hierdurch in den optisch aktiven Schichtbereich erfolgen kann.
  • 3 eine schematische Darstellung eines optischen Moduls nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf eine Faserendfläche eine lichtemittierende organische Diode (OLED) mittels Beschichten aufgebracht ist.
  • In 3 werden für gleiche Merkmale die selben Bezugszeichen wie in 2 verwendet. Im Unterschied zu 2 ist bei dem optischen Modul nach 3 auf die Faserendfläche 100 der Faser 110 eine lichtemittierende organische Diode 50 als Schichtanordnung aufgebracht. Auf diese Weise ist eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht mehrerer Wellenlängen bereitgestellt. Die lichtemittierende organische Diode 50 umfasst eine Kathode 54, eine lichtemittierende Polymerschicht 55, welche den optisch aktiven Schichtbereich bildet, ein leitfähiges Polymer 56 sowie eine Anode 57, die bevorzugt aus ITO besteht. Lichtemittierende organische Dioden werden darüber hinaus alternativ zu lichtemittierenden Polymerschichten mit Hilfe organischer Materialien gebildet, die ein Lichtemittermaterial („small molecules") umfassen. Die lichtemittierende organische Diode 50 kann dotierte Schichten umfassen.
  • Gemäß 3 sind weiterhin die Spannungsquelle 1, der biegsame leitende Draht 2, die Elektrode 3 zur Stromzuführung, welche bevorzugt als mittig angebrachte ringförmige Metallelektrode ausgeführt ist, sowie die Elektrode 5 zur Stromabführung vorgesehen, die ihrerseits bevorzugt seitlich verlaufend und ringförmig ist.
  • Mit Hilfe der Pfeile 8 ist der Strahlengang der in den vom Fasermantel 6 umgebenden Faserkern 7 eingekoppelten, divergenten Photonen schematisch dargestellt.
  • 4 eine schematische Darstellung eines optischen Moduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem auf eine Faserendfläche ein Photodetektor mittels Beschichten aufgebracht ist.
  • In 4 werden für die gleichen Merkmale die selben Bezugszeichen wie in den 2 und 3 verwendet. Auf der Faserendfläche 100 der Glasfaser 110 ist ein Photodetektor 60 als Schichtanordnung aufgebracht, bei dem es sich bevorzugt um eine PIN-Diode handelt. Der Photodetektor 60 umfasst eine p-Schicht 68, eine i-Schicht 69 sowie eine n-Schicht 67. Des weiteren sind ein Spannungsabgriff mit einer Anschlussmöglichkeit für ein Messgerät 11, der biegsame leitende Draht 2, die Elektrode 3 zur Stromzuführung, die bevorzugt seitlich verlaufend und ringförmig ausgeführt ist, sowie die Elektrode 5 zur Stromabführung, dargestellt, welche ebenfalls seitlich verlaufend und ringförmig ist.
  • Mit Hilfe der Pfeile 8 ist der Strahlengang der im vom Fasermantel 6 umgebenen Faserkern 7 weitergeleiteten Photonen schematisch dargestellt.
  • Neben den beschriebenen Bauteilen können als Schichtanordnung auf einer Faserendfläche auch andere Bauelemente zum Erzeugen und/oder zum Empfangen/Wandeln von Licht in elektrische Spannung oder Strom aufgebracht werden, beispielsweise ein Photowiderstand oder eine Photozelle.
  • Bei den auf die Faserendfläche aufgebrachten Lichtquellen werden bevorzugt Leistungen im Bereich einiger Milliwatt bis Watt in die Faser eingekoppelt. Ähnlich wie bei den Bauelementen, die Licht mit einer Emissionswellenlänge von 850 nm emittieren, wo die meisten Anwendungsfelder im Hochgeschwindigkeits-Datenverkehr liegen, werden auch langwellige VCSEL zahlreiche Anwendungen im Wellenlängenfenster bei 1300 nm oder 1550 nm für die optische Datenübertragung finden. Aufgrund der minimalen Faserdämpfung von etwa 0.3 dB/km bei 1550 nm (im Vergleich 2.5 dB/km für 850 nm) sowie geringerer Faserdispersion können beträchtlich längere Übertragungsstrecken und Bandbreiten mit langwelligen VCSELn realisiert werden. Insbesondere Singlemode-VCSELs bei 1550 nm, welche bereits Modulationsbandbreiten bis zu 10 Gbit/s gezeigt haben (siehe http://www.vertilas.com/technologie_anwendungen.php [abgerufen am 20.06.2005], ermöglichen parallele optische Verbindungen mit höchster Bandbreite über mehrere 10 Kilometer. Im Fall des Detektors liegt die Empfindlichkeit für zum Beispiel PIN-Dioden üblicherweise im Bereich von 1 mA/mW. Die Literatur beschreibt Datenraten für VCSEL bis zu 10 GBit/s.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beschichten einer Faserendfläche einer Lichtleitfaser mit einem lichtemittierenden/lichtempfangenden Bauteil, wie dies zum Beispiel bei den optischen Modulen in den 2 bis 4 vorgesehen ist.
  • Gemäß 5 sind eine teilevakuierte Vorvakuumkammer 70 sowie eine Beschichtungs-Vakuumskammer 71 hintereinander geschaltet. Zwischen der Vorvakuumskammer 70 und der Beschichtungs-Vakuumskammer ist eine Schleuse 72 zur Durchführung einer Lichtleitfaser 73 mit einem zu beschichtenden Faserende 74 vorgesehen. Das Faserende 74 wird in einem Faserhalten 75 gehalten. Die Lichtleitfaser ist von einer Fasertrommel 76 durch eine Schleuse 77 in die Vorvakuumkammer geführt.
  • Die Beschichtung der Faserendfläche 74, nämlich das Abscheiden der ein lichtemittierendes/lichtempfangendes Bauteil bildenden Schichtanordnung, erfolgt mit Hilfe bekannter Technologien, die für das Abscheiden von metallischen Schichten oder Halbleitermaterialien als solche bekannt sind. Hierzu zählen insbesondere epitaktische Verfahren, Sputtern, Aufdampfen oder dergleichen, wie dies für das Abscheiden von/Beschichten mit metallischen Schichten, Halbleiterschichten und/oder Polymerschichten grundsätzlich bekannt ist.
  • Für die Aussendung von Licht bei einem der oben beschriebene optischen Module wird ein mittels der Spannungsquelle angelegter Strom über den biegsamen leitenden Draht in die auf der Endfläche der Lichtleitfaser abgeschiedenen Halbleiterschichten geleitet. Dafür sind auf den einzelnen Schichten der Halbleiterstruktur oder auf der Faserendfläche Metallisierungskontakte vorgesehen. Diese sind, wie oben bereits erläutert, aufbringbar in unterschiedlichen Ausführungsformen, zum ersten als mittig angebrachte ringförmige Metallelektrode, zum zweiten als seitlich auf der Mantelfläche der Faser verlaufende ringförmige Metallelektrode oder zum dritten als leicht aufzubringende, transparente, über die gesamte Faserendfläche durchgehende leitende Schicht, insbesondere als ITO-Schicht aus Indium und Zinnoxid (ITO – „indium tin oxide").
  • Die lichterzeugenden Halbleiterschichten sind den obigen Ausführungen entsprechend bevorzugt als VCSEL-Struktur oder als OLED-Struktur ausgelegt, so dass bei der einen Ausführungsform kohärentes Licht einer Wellenlänge und bei der anderen Licht mehrerer Wellenlängen in den Faserkern eingebracht werden kann. Das erzeugte weitergeleitete Licht kann über an der anderen Endfläche der Lichtleitfaser abgeschiedene lichtempfangende Schichten eines Photodetektors empfangen werden, die bevorzugt als Strukturen einer PIN-Diode ausgelegt sind. Auf diese Weise ist ein optisches Modul mit einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung gebildet. Über Metallisierungskontakte in Form von Elektroden wird über biegsame Drähte ein Spannungsabgriff ausgeführt. Die entstehenden elektrischen Signale können über ein angeschlossenes Messgerät erfasst werden oder direkt zur elektronischen Weiterverarbeitung genutzt werden.
  • Eine Weiterführung der Erfindung kann vorsehen, dass die Faserenden durch mit den Kontaktflächen auf der Faser elektrisch leitend verbundenen und mit der Faser mechanisch verbundenen (Metall-)Hülsen versehen werden, welche ähnlich etablierten elektrischen Steckverbindungen, zum Beispiel Klinkenstecker in entsprechende Buchsen gesteckt für die in dieser Ausführungsform unidirektionale Hochleistungs-Datenübertragung auf kurzen und mittleren Strecken eingesetzt werden kann, beispielsweise innerhhalb eines Büronetzwerkes oder zwischen Hochleistungsprozessoren. Für VCSELs sind Datenraten von bis zu 10 GBit/s bekannt (vgl. M. Ortsiefer et al.: "High-speed modulation up to 10 Gbit/s with 1.55 μm wave-length InGaAlAs VCSELs", Electron. Lett. 38, 1180-1181 (2002)).
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (44)

  1. Optisches Modul mit einer Lichtleitfaser (110), einem lichtemittierenden Bauteil (40; 50) und einem lichtempfangenden Bauteil (60), insbesondere einem Halbleiterbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (40; 50) und das lichtempfangende Bauteil (60) jeweils mittels Beschichten einer zugehörigen Faserendfläche (100) der Lichtleitfaser (110) als eine Schichtanordnung mit einem optisch aktiven Schichtbereich auf der zugehörigen Faserendfläche (100) aufgebracht sind, so dass von dem optisch aktiven Schichtbereich des lichtemittierenden Bauteils (40; 50) Licht durch die zugehörige Faserendfläche (100) in die Lichtleitfaser (110) emittiert und aus der Lichtleitfaser (110) empfangen werden kann.
  2. Optisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Kontaktieren des lichtemittierenden Bauteils (40; 50) und/oder des lichtempfangenden Bauteils (60) in der Schichtanordnung auf der zugehörigen Faserendfläche (100) eine faserseitige Kontaktschicht aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist.
  3. Optisches Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faserseitige Kontaktschicht zumindest in einem Wellenlängenbereich optisch transparent ist.
  4. Optisches Modul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die faserseitige Kontaktschicht im Bereich eines Faserkerns (7) der Lichtleitfaser (110) eine Öffnung aufweist.
  5. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der faserseitigen Kontaktschicht ein Kontaktanschluss gebildet ist, indem die Kontaktschicht bis auf eine Mantelfläche (120) eines Faserendabschnitts reichend ausgeführt ist.
  6. Optisches Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Kontaktieren des lichtemittierenden Bauteils (40; 50) und/oder des lichtempfangenden Bauteils (60) in der Schichtanordnung auf einer von der zugehörigen Faserendfläche (100) abgewandten Seite eine weitere Kontaktschicht aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist.
  7. Optisches Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kontaktschicht als eine Abgriffelektrode mit einer Elektrodenfläche ausgeführt ist, die kleiner als die zugehörigen Faserendfläche (100) ist.
  8. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der faserseitigen Kontaktschicht und dem optisch aktiven Schichtbereich eine Isolierschicht angeordnet ist, die wenigstens in Teilbereichen elektrisch isolierend ausgeführt ist und die zumindest in einem Wellenlängenbereich optisch transparent ist.
  9. Optisches Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht eine Öffnung aufweist, durch die Ladungsträger in den optisch aktiven Schichtbereich gelangen können.
  10. Optisches Modul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus einem Metall ist, welches in den elektrisch isolierenden Teilbereichen hinsichtlich einer elektrischen Leitfähigkeit inaktiviert ist.
  11. Optisches Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (40) als ein Laserbauteil gebildet ist.
  12. Optisches Modul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserbauteil ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser ist.
  13. Optisches Modul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch aktive Schichtbereich des lichtemittierenden Bauteils (40) zwischen einer faserseitigen Bragg-Reflektor-Schicht und einer faserabgewandten Bragg-Reflektor-Schicht angeordnet ist.
  14. Optisches Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der faserseitigen Bragg-Reflektor-Schicht und dem optisch aktiven Schichtbereich eine e lektrisch leitende Schicht aus einem elektrisch leitenden Material angeordnet ist, die zumindest in einem Wellenlängenbereich optisch transparent ist.
  15. Optisches Modul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der elektrisch leitenden Schicht ein Anschluss gebildet ist, indem die elektrisch leitende Schicht bis auf eine Mantelfläche (120) des Faserendabschnitts reichend ausgeführt ist.
  16. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht zwischen der faserseitigen Bragg-Reflektor-Schicht und dem optisch aktiven Schichtbereich gebildet ist.
  17. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (50) als eine lichtemittierende Diode gebildet ist.
  18. Optisches Modul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Diode (50) als eine organische lichtemittierende Diode gebildet ist, bei der die Schichtanordnung einen Stapel organischer Schichten umfasst.
  19. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfangende Bauteil (60) als eine Photodiode gebildet ist.
  20. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfangende Bauteil als ein Photowiderstand gebildet ist.
  21. Verfahren zum Herstellen eines optischen Moduls, insbesondere eines optischen Moduls nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Lichtleitfaser (110), einem lichtemittierenden Bauteil (40; 50) und einem lichtempfangenden Bauteil (60), insbesondere einem Halbleiterbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (40; 50) und das lichtempfangende Bauteil (60) jeweils mittels Beschichten einer zugehörigen Faserendfläche (100) der Lichtleitfaser (110) als eine Schichtanordnung mit einem optisch aktiven Schichtbereich auf der zugehörigen Faserendfläche (100) aufgebracht werden, so dass von dem optisch aktiven Schichtbereich des lichtemittierenden Bauteils (40; 50) Licht durch die zugehörige Faserendfläche (100) in die Lichtleitfaser (110) emittiert und aus der Lichtleitfaser (110) empfangen werden kann.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnungen zumindest teilweise mittels epitaktischer Verfahren aufgebracht werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnungen zumindest teilweise mittels Sputtern aufgebracht werden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten der Schichtanordnungen zumindest teilweise als Halbleiterschichten abgeschieden werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden der Schichtanordnungen Ätztechniken verwendet werden.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Kontaktieren des lichtemittierenden Bauteils (40; 50) und/oder des lichtempfangenden Bauteils (60) in der Schichtanordnung auf der zugehörigen Faserendfläche (100) eine faserseitige Kontaktschicht aus einem elektrisch leitenden Material gebildet wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die faserseitige Kontaktschicht zumindest in einem Wellenlängenbereich optisch transparent ausgebildet wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die faserseitige Kontaktschicht im Bereich eines Faserkerns (7) der Lichtleitfaser (110) eine Öffnung gebildet wird.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass an der faserseitigen Kontaktschicht ein Kontaktanschluss gebildet wird, indem die Kontaktschicht bis auf eine Mantelfläche (120) eines Faserendabschnitts reichend ausgeführt wird.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Kontaktieren des lichtemittierenden Bauteils (40; 50) und/oder des lichtempfangenden Bauteils (60) in der Schichtanordnung auf einer von der zugehörigen Faserendfläche (100) abgewandten Seite eine weitere Kontaktschicht aus einem elektrisch leitenden Material gebildet wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kontaktschicht als eine Abgriffelektrode mit einer Elektrodenfläche ausgeführt wird, die kleiner als die Faserendfläche (100) ist.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der faserseitigen Kontaktschicht und dem optisch aktiven Schichtbereich eine Isolierschicht angeordnet wird, die wenigstens in Teilbereichen elektrisch isolierend ausgeführt wird und die zumindest in einem Wellenlängenbereich optisch transparent gebildet wird.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht mit einer Öffnung gebildet wird, durch die Ladungsträger in den optisch aktiven Schichtbereich gelangen können.
  34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus einem Metall gebildet wird, welches in den elektrisch isolierenden Teilbereichen hinsichtlich einer elektrischen Leitfähigkeit inaktiviert wird.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (40) als ein Laserbauteil gebildet wird.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserbauteil als ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser gebildet wird.
  37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch aktive Schichtbereich des lichtemittierenden Bauteils (40) zwischen einer faserseitigen Bragg-Reflektor-Schicht und einer faserabgewandten Bragg-Reflektor-Schicht angeordnet ist.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der faserseitigen Bragg-Reflektor-Schicht und dem optischen aktiven Schichtbereich des lichtemittierenden Bauteils (40) eine elektrisch leitende Schicht aus einem elektrisch leitenden Material angeordnet wird, die zumindest in einem Wellenlängenbereich optisch transparent ist.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass an der elektrisch leitenden Schicht ein Anschluss gebildet wird, indem die elektrisch leitende Schicht bis auf eine Mantelfläche (120) des Faserendabschnitts reichend ausgeführt wird.
  40. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34 und einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht zwischen der faserseitigen Bragg-Reflektor-Schicht und dem optisch aktiven Schichtbereich des lichtemittierenden Bauteils (40) gebildet ist.
  41. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauteil (50) als eine lichtemittierende Diode gebildet wird.
  42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Diode als eine organische lichtemittierende Diode gebildet wird, bei der die Schichtanordnung einen Stapel organischer Schichten umfasst.
  43. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfangende Bauteil (60) als eine Photodiode gebildet wird.
  44. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfangende Bauteil als ein Photowiderstand gebildet wird.
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