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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in einen Chip oder dergleichen.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in einen Chip oder dergleichen.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt geworden, Licht über Lichtwellenleiter in einen Chip einzukoppeln, wobei hier entweder ein sogenanntes edge coupling, also ein Einkoppeln von Licht an der Chipkante oder ein sogenanntes grating coupling, also ein Einkoppeln auf Gitterkopplern von oben auf die Chipfläche, eingesetzt werden können. Beim edge coupling muss eine hohe Positioniergenauigkeit eingehalten werden, um die maximale Lichtleistung in einen photonischen integrierten Schaltkreis, kurz PIC für photonic integrated circuit, zu übertragen. Beim grating coupling muss zusätzlich zur lateralen Positionierung der Lichtwellenleiter, diese in einem bestimmten Winkel zur Chipfläche, beispielsweise 8° aus der Normalen, auf den Chip ausgerichtet werden, wobei hier ein aktives Ausrichtungsverfahren eingesetzt wird.
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Als Lichtquellen für das Licht können in bekannter Weise Kantenemitter oder Vertikalemitter, VCSEL, verwendet werden.
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Für das Einkoppeln von Licht in Gitterkoppler ist bekannt geworden, eine sogenannte optische Bank einzusetzen. Diese besteht aus einem Silizium-Zwischenelement, auf dem ein Kantenemitter, eine Linse und eine Kugellinse zum Ablenken des Strahlengangs des Lichts angeordnet sind. Diese optische Bank kann auf dem PIC so positioniert und mittels Drahtbonden kontaktiert werden, dass das Licht auf den Gitterkoppler gerichtet ist und dort in den PIC einkoppelt. Bei einem edge coupling wird ein Kantenemitter verwendet, der zusammen mit mindestens einer Linse präzise zur Chipkante des PIC angeordnet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in einen Chip oder dergleichen bereit, umfassend eine Kavität zur Aufnahme einer Lichtquelle, eine Öffnung zum Durchtritt von Licht der Lichtquelle, die mit der Kavität verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine erste und eine zweite der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei zumindest eine der beiden Oberflächen zumindest zwei erste Oberflächenabschnitte aufweist, welche unter einem Neigungswinkel geneigt zueinander angeordnet sind und wobei auf unterschiedlichen Seiten der Kavität und/oder der Öffnung die Entfernung zwischen erster Oberfläche und zweiter Oberfläche unterschiedlich ist und wobei auf unterschiedlichen Seiten der Kavität und/oder Öffnung jeweils hierzu benachbarte Oberflächenbereiche den gleichen Neigungswinkel aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in einen Chip bereit, umfassend die Schritte
- - Herstellen einer Kavität in der Vorrichtung zur Aufnahme einer Lichtquelle,
- - Herstellen einer Öffnung zum Durchtritt von Licht, die mit der Kavität verbunden ist,
- - Herstellen einer ersten und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche mit zumindest zwei ersten Oberflächenabschnitten, welche unter einem Neigungswinkel geneigt zueinander angeordnet werden und mit einer unterschiedlichen Entfernung zwischen erster Oberfläche und zweiter Oberfläche auf unterschiedlichen Seiten der Kavität und/oder der Öffnung und wobei auf unterschiedlichen Seiten der Kavität und/oder Öffnung jeweils hierzu benachbarte Oberflächenbereiche mit gleichen Neigungswinkeln hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen Chip mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-8 bereit.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass eine kompakte und kostengünstige Einkoppelvorrichtung zur Verfügung gestellt werden kann, welche ein effizientes Einkoppeln des Lichts in einen photonischen integrierten Schaltkreis ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine hohe Durchsatzgeschwindigkeit bei der Herstellung der Vorrichtung erzielt werden kann. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass eine einfache Montage und insbesondere eine serientaugliche Herstellung ermöglicht werden.
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Mit anderen Worten wird eine im Wesentlichen keilförmige Vorrichtung mit zwei Ebenen zur Verfügung gestellt, die unter einem gut definierten Winkel zueinander angeordnet sind. Hierbei kann die erste Ebene zum Handling der Vorrichtung und zur Montage der Lichtquelle dienen. Die zweite Ebene kann dazu verwendet werden, den erforderlichen Winkel des Lichteinfalls auf einem Chip in der Montage zu gewährleisten.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung bilden die beiden benachbarten Oberflächenbereiche eine gemeinsame Ebene. Auf diese Weise ist es möglich, eine ebene Auflagefläche auf beiden Seiten der Kavität und/oder der Öffnung bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Vorrichtung aus Keramik, aus einem Glaswerkstoff, aus Silizium und/oder einem Polymer hergestellt. Dies ermöglicht in besonders flexibler Weise eine einfache Herstellung, die an die gewünschte Genauigkeit der Einkopplung von Licht und der Festlegung der Vorrichtung auf dem jeweiligen Chip oder dergleichen angepasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung zumindest eine elektrische Kontaktierung zur elektrischen Kontaktierung der Lichtquelle. Auf diese Weise kann eine in der Kavität angeordnete Lichtquelle auf einfache Weise elektrisch kontaktiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung ein Strahlformungselement. Auf diese Weise kann mittels der Vorrichtung ein Lichtstrahl einer in der Kavität angeordneten Lichtquelle auf besonders effektive Weise in einen photonischen integrierten Schaltkreis eingekoppelt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Strahlformungselement in einer Vertiefung angeordnet. Damit ist eine einfache Anordnung des Strahlformungselements in der Vorrichtung möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Vertiefung mit der Öffnung verbunden. Auf diese Weise kann ein Lichtstrahl auf direkte Weise von der Kavität über die Öffnung in die Vertiefung eintreten, in der beispielsweise ein Strahlformungselement zur Beeinflussung der Form des Lichtstrahls einer in der Kavität angeordneten Lichtquelle angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Strahlformungselement als Linse ausgebildet. Dies ermöglicht ein einfaches und kostengünstiges Strahlformungselement.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Vorrichtung mittels eines Abformverfahrens und/oder eines schreibenden Verfahrens, insbesondere Photonenlithografie, hergestellt. Dies ermöglicht eine flexible und gleichzeitig kostengünstige Herstellung der Vorrichtung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird eine Vertiefung hergestellt, welche mit der Öffnung verbunden wird und wobei in der Vertiefung ein Strahlformungselement mittels Kleben oder einem Bauteilformverfahren, insbesondere mittels Abtragen, Spritzgießen, Drucken und/oder Lithographie, angeordnet wird. Damit kann auf flexible Weise je nach vorgebbaren Bedingungen und auf einfache und gleichzeitig kostengünstige Weise ein Strahlformungselement bereitgestellt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigen in schematischer Form und im Querschnitt
- 1 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen Chip mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Form und im Querschnitt.
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Im Detail ist in 1 eine Vorrichtung 1 zum Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen in einen Chip gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist im Wesentlichen rechteckförmig im Querschnitt ausgebildet und umfasst eine in einer Kavität 3 angeordnete Lichtquelle 2, die über eine Öffnung 4 Licht 8 in eine Vertiefung 5 einstrahlen kann. Die Kavität 3 ist hierbei im oberen Bereich, die Vertiefung 5 im unteren Bereich der Vorrichtung 1 angeordnet. Vertiefung 5, Öffnung 4 sowie Kavität 3 sind im Wesentlichen im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet, können jedoch auch wie hier nicht dargestellt, kreisförmig oder dergleichen ausgebildet werden. Die obere Oberfläche der Vorrichtung 1 weist dabei von links nach rechts folgenden Verlauf auf: Auf der linken Seite A der Kavität 3 ist ein von links nach rechts abfallender Oberflächenbereich 7a angeordnet, der durch einen vertikalen Versatz nach oben in einen horizontalen Bereich 6a übergeht. In diesem Bereich 6a ist die Kavität 3 angeordnet. Deren optische Achse 20 ist dabei senkrecht zu diesem Oberflächenbereich 6a angeordnet. Auf der rechten Seite B der Kavität 3 verläuft der Oberflächenbereich 6a weiter von links nach rechts und geht dann in einen von links nach rechts unter einem Winkel 67a abfallenden in einen zum ersten Oberflächenbereich 7a parallelen zweiten Oberflächenbereich 7a' über.
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Die Unterseite der Vorrichtung 1 weist eine Oberfläche auf, deren Verlauf von links nach rechts in 1 wie folgt ist: Auf der linken Seite A der Kavität 3 beziehungsweise der Vertiefung 5 verläuft ein von links nach rechts und in einem Teilbereich parallel zum ersten Oberflächenbereich 7a ausgebildeter Oberflächenbereich 7b, dessen Verlauf im Bereich der Öffnung 4 unterhalb der Kavität 3 durch die im wesentlichen rechteckförmige Vertiefung 5 unterbrochen ist. Die Vertiefung 5 ist im Wesentlichen im Querschnitt U-förmig ausgebildet und weist links und rechts zwei vertikale Randbereiche 5a auf, deren Verlauf parallel zu den vertikalen Randbereichen von Kavität 3 und Öffnung 4 verläuft. Eine Fläche 5b der Vertiefung 5 ist dabei parallel zu der Ebene 6a, 6b ausgerichtet. Hierbei ist es ebenso möglich, dass ein oder mehrere Abstufungen in der Vertiefung 5 ausgebildet sind oder diese trichterförmig ausgebildet ist.
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Auf der rechten Seite B der Kavität 3 beziehungsweise der Öffnung 4 ist ein Bereich 7b' angeordnet, der im Wesentlichen eine Verlängerung des Bereichs 7b über die Vertiefung 5 hinaus darstellt. Dieser wird dann unter einem Winkel 67b gekippt und geht in ein Oberflächenbereich 6b über, der parallel zum Oberflächenbereich 6a auf der Oberseite der Vorrichtung 1 verlaufend angeordnet ist. Die beiden Bereiche 7b, 7b' bilden also im Wesentlichen eine Ebene. Hierbei ist die vertikale Erstreckung auf der linken Seite A der Vorrichtung 1 zwischen den beiden Bereichen 7a, 7b, bezeichnet mit Bezugszeichen 41, kleiner als die vertikale Erstreckung auf der rechten Seite B der Vorrichtung 1, bezeichnet Bezugszeichen 42. Die Lichtquelle 2 ist weiter als Vertikal-Emitter VCSEL ausgebildet. Nach Montage der Vorrichtung 1 ist die Achse 21 des auf einen photonischen integrierten Schaltkreis 9 einstrahlenden Lichts 8 gegenüber der optischen Achse 20 der Kavität 3 und der Öffnung 4 geneigt angeordnet.
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2 zeigt einen Chip mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail ist in 2 ein Chip 100 gezeigt. Dieser umfasst einen photonischen integrierten Schaltkreis 9, auf dem die Vorrichtung 1 gemäß 1 angeordnet ist. Weiter ist im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß 1 bei der Vorrichtung 1 gemäß 2 eine Linse 12 in der Vertiefung 5 angeordnet. Die Vorrichtung 1 ist dabei mit den beiden Bereichen 7b, 7b' jeweils auf der linken beziehungsweise rechten Seite A, B der Vorrichtung 1 auf der oberen Oberfläche des photonischen integrierten Schaltkreises 9 angeordnet. Die Vorrichtung 1, genauer die Lichtquelle 2 ist weiter zur elektrischen Kontaktierung über elektrische Kontakte 10 mit dem photonischen integrierten Schaltkreis 9 verbunden und gegebenenfalls über weitere elektrische Kontaktierungen 11 auf der Oberfläche der Vorrichtung 1 kontaktiert.
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Die Vorrichtung 1 ist dabei aus einem freiformbaren Werkstoff hergestellt, zum Beispiel ist die Vorrichtung 1 aus Keramik oder aus einem Glaswerkstoff, das in einem Abformverfahren oder in einem schreibenden Verfahren im Nutzenverbund hergestellt wird, hergestellt.
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Als Alternative kann die Vorrichtung 1 beispielsweise mittels Lasermaterialbearbeitung auch aus Silizium hergestellt werden, oder auch aus einem abgeformten Polymer.
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Eine Ebene oder zu dieser parallele Ebenen stellen die Möglichkeit eines Handlings von Chips und der vereinzelten Vorrichtung 1 wie in der bisher bekannten Chipmontage zur Verfügung, das heißt stellen die Randbedingungen für serientaugliche Standard-Montageprozesse dar. Die andere, zu der ersten Ebene unter einem bestimmten Winkel geneigte Ebene 7b 7b', die insbesondere gegenüberliegend angeordnet ist, stellt den exakten Winkel für das Einkoppeln des Lichts 8 ein.
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Weiterhin ist es denkbar, eine oder mehrere metallische Strukturen anzuordnen, um die Lichtquelle 2, insbesondere in Form eines Laserchips, auch elektrisch zu kontaktieren. Diese können im Druckverfahren oder in schreibenden Verfahren aufgebracht werden.
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Ferner kann - wie in 2 gezeigt - in der Vertiefung 5 auch eine Linse 12 zur Formung des Strahlengangs der Lichtquelle 2 angeordnet werden. Die Linse 12 kann bei Herstellung der Vorrichtung 1 aus Keramik oder Silizium eingeklebt werden, bei Herstellung der Vorrichtung 1 aus Glas oder Kunststoff kann die Linse 12 auch direkt mit dem Bauteilformverfahren, insbesondere Abtragen, Spritzgießen, Molden, Drucken oder dergleichen erzeugt werden oder nachträglich geklebt werden. Die Vorrichtung 1 kommt beispielsweise bei der Montage von Laserchip zu Wafer oder Laserchip zu PIC 9 zum Einsatz.
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Wie bereits ausgeführt, dient die Ebene 7b, 7b' als Ablagefläche, Montagefläche beziehungsweise Auflagefläche für das Handling der Vorrichtung 1. Zunächst liegen die Vorrichtungen im Nutzenverbund vor und liegen in Ausrichtung der Ebene, 6a, 6b, auf dem Werkstückträger auf, beispielsweise zum Bestücken der VCSELs. Eine Fläche 5b der Vertiefung 5 ist dabei parallel zu der Ebene 6a, 6b ausgerichtet.
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Nach der Montage der VCSELs 2 werden die Vorrichtungen 1 vereinzelt, beispielsweise mittels Sägen oder mittels eines Lasertrennverfahrens. Nach dem Vereinzeln erfolgt die Handhabung der Vorrichtung 1 an dem zweiten Ebenenpaar 7a, 7a', 7b, 7b' welche die korrekte Winkeleinstellung des Lichtstrahls 8 auf den PIC 9 gewährleistet.
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Die Vorrichtung 1 kann auf den PIC 9 geklebt oder gelötet werden. Anschließend werden elektrischen Kontakte 10, 11 drahtgebondet, wobei Gold-Draht im Thermosonic-Verfahren entweder direkt vom VCSEL 2 auf den PIC 9 gebondet wird, das heißt die Vorrichtung 1 weist keine elektrischen Strukturen auf, oder es können Gold-Drahtbonds 11 vom VCSEL 2 auf die Vorrichtung 1 und von der Vorrichtung 1 auf den PIC 9 gebondet werden. Alternativ kann vom VCSEL 2 auch direkt auf einen Lasertreiber beispielsweise in Form eines CMOS-Chips gebondet werden. Vorteilhafterweise wird das Thermosonic-Gold- oder Kupfer-Drahtbonden eingesetzt, da das Bonden des Ball-Bonds gegenüber Schrägstellungen robust ist.
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3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail zeigt 3 ein zur Herstellung einer Vorrichtung zum Einkoppeln elektromagnetischer Wellen in einen Chip.
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Dabei erfolgt in einem ersten Schritt S1 ein Herstellen einer Kavität in der Vorrichtung zur Aufnahme einer Lichtquelle.
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Weiter erfolgt in einem zweiten Schritt S2 ein Herstellen einer Öffnung zum Durchtritt von Licht, die mit der Kavität verbunden ist.
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Weiter erfolgt in einem dritten Schritt S3 ein Herstellen einer ersten und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche wobei zumindest eine der beiden Oberflächen mit zumindest zwei ersten Oberflächenabschnitten hergestellt wird, welche unter einem Neigungswinkel geneigt zueinander angeordnet werden und mit einer unterschiedlichen Entfernung zwischen erster Oberfläche und zweiter Oberfläche auf unterschiedlichen Seiten der Kavität und/oder der Öffnung und wobei auf unterschiedlichen Seiten der Kavität und/oder der Öffnung jeweils hierzu benachbarte Oberflächenbereiche mit gleichen Neigungswinkeln hergestellt werden.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- - Einfache Herstellung.
- - Kostengünstige Herstellung.
- - Einfaches Handling der Vorrichtung.
- - Effizientes Einkoppeln von Licht möglich.
- - Serientaugliche Herstellung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
