DE10210533A1

DE10210533A1 - Optoelektronisches Modul

Info

Publication number: DE10210533A1
Application number: DE10210533A
Authority: DE
Inventors: Daniel Reznik; Moghaddam Maryam Vakilzadeh
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: US6775045B2; US20030169475A1; DE10210533B4

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Modul mit einer auf einem Substrat (1) angeordneten Laderdiode (2), die mittels einer elektronischen Ansteuereinrichtung ansteuerbar ist, wobei mindestens eine Elektrode (20) der Laserdiode (2) mit dem Substrat (1) verbunden oder gekoppelt ist, bereitgestellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Substrat (1) zur Impedanzanpassung der Laserdiode (2) an die zugeordnete elektronische Ansteuereinrichtung als mit der einen Elektrode (20) der Laserdiode (2) gekoppelte elektrische Leitung ausgebildet ist und die Impedanzanpassung über eine Einstellung der spezifischen elektrischen Leitungseigenschaften des Substrates (2) erfolgt. Auf diese Weise erfüllt das Substrat neben der mechanischen Funktion als Träger der Laserdiode und der thermischen Funktion zur Ableitung der in der Laserdiode entstehenden Wärme zusätzlich eine elektrische Funktion zur Impedanzanpassung zwischen Laserdiode und der zugeordneten Ansteuerelektronik. Dadurch bietet das optoelektronische Modul verbesserte EMV-Eigenschaften.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Modul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges optoelektronisches Modul weist eine mittels einer elektronischen Ansteuereinrichtung ansteuerbare Laserdiode auf, die auf einem Substrat angeordnet ist. Dabei ist mindestens eine Elektrode der Laserdiode mit dem Substrat verbunden oder mit diesem gekoppelt, d. h. die eine Elektrode ist auf dem Substrat selbst angeordnet oder über eine elektrische Leitung mit diesem gekoppelt.
Bei hohen Datenraten im Gigahertz-Bereich kommt dem Aspekt der hochfrequenz-technischen Anbindung zwischen der Laserdiode und der zugeordneten Ansteuerelektronik eine wichtige Rolle zu. Insbesondere kantenemittierende Laserdioden zeichnen sich meistens durch einen kleinen Innenwiderstand der Größenordnung 1-10 Ohm aus. Dagegen weisen die integrierten Schaltkreise zur Ansteuerung der Laserdiode meist den technisch üblichen Ausgangswiderstand von ungefähr 50 Ohm auf. Entsprechend sind auch die Zuleitungen auf einen Leitungswiderstand von 50 Ohm ausgelegt.
Außerdem kommt der Anbindung der Hochfrequenzsignale gegenüber dem Massepotential eine wichtige Rolle zu. Oftmals ist das Massepotential des Hochfrequenzsignals mit seiner Referenz auf dem Substrat über eine vergleichsweise lange elektrisch leitende Verbindung mit dem Massepotential des Gehäuses verbunden, oder diese Verbindung fehlt völlig.
Sowohl die Impedanzunterschiede zwischen der Ansteuerelektronik und der Laserdiode als auch die schlechte bzw. fehlende Anbindung der Hochfrequenzsignale an das Massepotential wirken sich als Fehlanpassung aus. Dadurch werden die in der Ansteuerelektronik generierten Hochfrequenzsignale zu einem erheblichen Teil, insbesondere von der Laserdiode zurückreflektiert und stehen daher nicht für die elektrooptische Modulation der Laserdiode zur Verfügung. Dies kann zu einer erheblichen Verschlechterung der Signalintegrität führen und/oder die reflektierten Anteile des Hochfrequenzsignals verschlechtern, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des optoelektronischen Moduls mit umgebenden elektronischen Bauteilen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, bei einer Fehlanpassung zwischen Ansteuerelektronik und Laserdiode die Ausgangsleistung der Ansteuerelektronik derart zu erhöhen, dass trotz der teilweisen Reflexion des Hochfrequenzansteuersignales eine hinreiche Modulation der Laserdiode erreicht wird. Die EMV-Probleme müssen in solchen Fällen durch aufwendige Abschirmmaßnahmen gelöst werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Modul bereitzustellen, das auf möglichst einfache und kostengünstige Weise die vorangehend beschriebenen Probleme löst.

Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Substrat zur Impedanzanpassung der Laserdiode an die zugeordnete elektronische Ansteuereinrichtung als mit der einen Elektrode der Laserdiode gekoppelte elektrische Leitung ausgebildet ist, und die Impedanzanpassung über eine Einstellung der spezifischen elektrischen Leitungseigenschaften des Substrates erfolgt.

Auf diese Weise erfüllt das Substrat neben der mechanischen Funktion als Träger der Laserdiode und der thermischen Funktion zur Ableitung der in der Laserdiode entstehenden Wärme zusätzlich eine elektrische Funktion zur Impedanzanpassung zwischen Laserdiode und der zugeordneten Ansteuerelektronik. Dadurch wird eine bessere Ausnutzung des elektrischen Ansteuersignales der Ansteuerelektronik durch die Laserdiode gewährleistet. Weiterhin weist das optoelektronische Modul verbesserte EMV-Eigenschaften auf.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ausgenutzt, dass sich das Substrat mit spezifischen elektrischen Leitungseigenschaften, d. h. definierten ohmschen, kapazitiven und/oder induktiven Widerstandsanteilen derart ausbilden lässt, dass die Gesamtimpedanz von Laserdiode und Substrat an die Impedanz der Ansteuerelektronik angepasst ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist einfach und kostengünstig, da auf bereits vorhandene, notwendige Komponenten, nämlich das Trägersubstrat der Laserdiode zur Impedanzanpassung zurückgegriffen wird. Zusätzliche Funktionen werden dadurch bei gleicher Teilezahl bereitgestellt.

Bevorzugt ist das Substrat über einen elektrischen Kontakt, der beabstandet von der einen Elektrode am Substrat angeordnet ist, mit einem definierten elektrischen Potential beaufschlagt. In einem Leitungsbereich des Substratmaterials, der sich zwischen der einen Elektrode der Laserdiode und dem elektrischen Kontakt des Substrates erstreckt, weist das Substrat, wie vorangehend beschrieben, spezifische elektrische Leitungseigenschaften auf, die während des Betriebes der Laserdiode zur Impedanzanpassung an die zugeordnete elektronische Ansteuereinrichtung dienen.

Es ist von Vorteil, wenn das Substrat ein Halbleitermaterial aufweist. Insbesondere der Einsatz eines dotierten Halbleitermaterials erlaubt über die Auswahl unterschiedlicher Dotierstoffe und -konzentrationen die genaue Einstellung des spezifischen ohmschen Widerstandes des Substrates.

Das Substrat ist bevorzugt im Leitungsbereich mit einem elektrisch isolierenden Abschnitt ausgebildet. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der kapazitive Widerstandsanteil des Substrates im Leitungsbereich durch die Abmessungen des elektrisch isolierenden Abschnittes beeinflussen.

Auf dem Substrat ist die eine Elektrode der Laserdiode bevorzugt auf einer ersten Oberfläche des Substrates und der elektrische Kontakt des Substrates auf einer zweiten Oberfläche des Substrates angeordnet. Durch die geeignete Auswahl der Beabstandung zwischen der einen Elektrode der Laserdiode und dem elektrischen Kontakt des Substrates ist zusammen mit dem Parameter der spezifischen Leitfähigkeit des Substrates im Leitungsbereich der ohmsche Widerstand des Leitungsbereiches einstellbar.

Bei einer flächigen Ausbildung des Substrates, beispielsweise als Silizium-Wafer, sind die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche den entgegengesetzten beiden Seitenflächen des Substrates zugeordnet.

Der elektrisch isolierende Abschnitt ist bevorzugt als elektrisch isolierende Schicht ausgebildet, die zumindest teilweise die erste und/oder die zweite Oberfläche des Substrates bildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Substrat auf der ersten Oberfläche eine elektrisch isolierende Schicht auf, wobei die eine Elektrode der Laserdiode auf dieser elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist.

Insbesondere bei der Verwendung eines Siliziumsubstrates lässt sich die elektrisch isolierende Schicht besonders einfach als Siliziumoxiddünnschicht ausbilden.

Eine konkrete Ausführungsform der Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine nicht maßstabsgerechte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des optoelektronischen Moduls;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten optoelektronischen Moduls und
Fig. 3 eine graphische Darstellung der simulierten Transmissionseigenschaften erfindungsgemäßer optoelektronischer Module in Abhängigkeit der Ansteuerfrequenz für Substrate unterschiedlicher spezifischer Leitfähigkeit.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des optoelektronischen Moduls in einer nicht maßstabsgerechten perspektivischen Ansicht. Dabei ist die Laserdiode 2 auf der ersten Oberfläche 11 des flächigen Substrates 1 angeordnet. Bei der Laserdiode kann es sich um eine beliebige Laserdiode, beispielsweise eine kantenemittierende oder einer vertikal- emittierende Laserdiode handeln.
Die Laserdiode 2 weist zwei Elektroden 20, 21 auf. Die eine Elektrode 20 ist zwischen der Laserdiode 2 und der ersten Oberfläche 11 des Substrates 1 angeordnet und erstreckt sich beidseitig der Laserdiode 2 auf der ersten Oberfläche 11 des Substrates 1. In dieser Ausführungsform des optoelektronischen Moduls stellt die eine Elektrode 20 des Lasermoduls 2 die Kathode dar. Daher wird die eine Elektrode 20 im folgenden auch als Kathoden-Pad 20 bezeichnet.
Die andere Elektrode 21 ist als Anoden-Pad auf der dem Substrat 1 abgewandten Oberfläche der Laserdiode 2 angeordnet.
An seiner ersten Oberfläche 11 weist das Substrat 1 eine elektrisch nicht leitende Dünnschicht 10 auf. Diese Dünnschicht 10 lässt sich mit sämtlichen bekannten Verfahren der Dünnschichttechnologie wie z. B. Sputtern, PECVD und LPCVD auf das Substrat 1 aufbringen.
Besonders einfach und kostengünstig ist es, bei Einsatz eines Siliziumsubstrates 1 die Dünnschicht 10 als Siliziumoxidschicht, beispielsweise mittels eines sogenannten feuchten Oxidationsvorganges aus dem Substratmaterial selbst auf einer Substratoberfläche aufwachsen zu lassen. Diese Dünnschichten weisen üblicherweise Schichtdicken im Bereich bis zu 2 µm auf. Sind größere Schichtdicken erforderlich, so werden üblicherweise CVD-Verfahren zur Schichtabscheidung genutzt.
An der der ersten Oberfläche 11 entgegengesetzten zweiten Oberfläche 11' weist das Substrat 1 einen elektrischen Kontakt K auf, der mit dem Massepotential verbunden ist.
Zwischen dem Kathoden-Pad 20 und dem elektrischen Kontakt K weist das Substrat 1 daher einen als elektrische Leitung wirkenden Leitungsbereich Z auf, dessen spezifischen elektrischen Leitungsparameter in die Gesamtimpedanz von Laserdiode 2 und Substrat 1 einfließen.
Die spezifischen Leitungseigenschaften des Substrates 1 im Leitungsbereiches Z umfassen im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum einen einen ohmschen Widerstandsanteil, der durch die spezifische Leitfähigkeit des Substrates 1 im Leitungsbereich Z und dem geometrischen Abstand zwischen dem elektrischen Kontakt K und dem Kathoden- Pad 20 definiert ist und zum anderen einen kapazitiven Widerstandsanteil, der durch die Schichtdicke der elektrisch isolierenden Dünnschicht 10 und die geometrische Ausgestaltung des Kathoden-Pads 20 bestimmt ist. Dabei gilt, dass die Schichtdicke der Dünnschicht 10 linear in den Betrag des kapazitiven Widerstandsanteiles eingeht.
Für das vorliegende Ausführungsbeispiel sind die drei Parameter spezifische Leitfähigkeit des Substrates 1, Schichtdicke der Dünnschicht 10 und geometrische Ausformung des Kathoden-Pads 20 innerhalb gewisser Schranken frei wählbar. Auf diese Weise ist eine flexible Impedanzanpassung des Systems Laserdiode-Substrat an die zugeordnete Ansteuerelektronik möglich.
Es ist selbstverständlich, dass anders als in Fig. 1 dargestellt, eine Vielzahl von Geometrien für die Anordnung des Kathoden-Pads 20 und des elektrischen Kontaktes K am Substrat 1 möglich sind. Wesentlich ist jeweils nur, dass das zwischen Kathoden-Pad 20 und elektrischem Kontakt K, im sogenannten Leitungsbereich Z, angeordnete Substratmaterial elektrische Wechselstromleitungseigenschaften aufweist, deren zusätzliche Widerstandsanteile der Impedanzanpassung des Systems Laserdiode/Substrat an die zugeordnete Ansteuerelektronik dienen.
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten optoelektronischen Moduls.
Wie vorangehend beschrieben, lässt sich der ohmsche Widerstand des Substrates R_submount und der durch die Dünnschicht und das Katoden-Pad 20 beeinflusste kapazitive Widerstandsanteil C_oxide innerhalb vorgegebener Grenzen frei einstellen.
Insbesondere wird der ohmsche Widerstand des Substrates 1 R_submount über eine geeignete Dotierung des Substrats und die Beabstandung zwischen der einen Elektrode 20 und dem elektrischen Kontakt K des Substrates 1 einstellen.
Der kapazitive Widerstandsanteil C_oxide wird über die Schichtdicke und/oder das Schichtmaterial der elektrisch isolierenden Schicht 10 und die Geometrie des Kathoden- Pads 20 eingestellt.
Die Gesamtimpedanz von Laserdiode 2 und Substrat 1 ergibt sich somit aus einer Reihenschaltung des ohmschen Widerstandsanteils des Substrates R_submount und dem kapazitiven Widerstandsanteil des Substrates C_oxide mit der Parallelschaltung des ohmschen Widerstandsanteils R_laser der Laserdiode 2 und des kapazitiven Widerstandsanteils C_laser der Laserdiode 2.
Das Substrat 1 erfüllt daher die elektrische Funktion einer zusätzliche R-C-Beschaltung des ohmschen Widerstandsanteiles R_laser und des kapazitiven Widerstandsanteils C_laser der Laserdiode 2.
Fig. 3 zeigt die simulierten Transmissionskurven eines ersten und eines zweiten optoelektronischen Modules in einem TO-46-Gehäuse, wobei jeweils die Signalstärke Magnitude in dB gegen die Frequenz Frequency des Testsignales in GHz aufgetragen sind. Je größer die Transmission des Testsignales desto weniger Anteile des Testsignales werden aufgrund einer Fehlanpassung der Impedanz zwischen Ansteuerelektronik und Laserdiode reflektiert. Daher ist die Transmission ein Maß für die gewünschte Impedanzanpassung zwischen Ansteuerelektronik und Laserdiode.
Die obere der beiden Transmissionskurven ist einem ersten optoelektronischen Modul zugeordnet, dessen Substrat eine spezifische Leitfähigkeit von 1 Ohmcm aufweist. Diese Transmissionskurve verläuft im Bereich einer Signalfrequenz von 4 GHz in einem breiten Maximum. In diesem Bereich weist das erste optoelektronische Modul im Vergleich zu dem der zweiten Transmissonskurve zugeordneten zweiten optoelektronischen Modul mit einem Substrat mit 1000 Ohmcm spezifischer Leitfähigkeit eine um zirka 3 dB bessere Transmission auf.
Daher ist das erste optoelektronische Modul durch die höhere spezifische Leitfähigkeit des Substrates deutlich besser an die Impedanz der Ansteuerelektronik angepasst. Und für Datenübertragungsraten im Bereich von 8 Gbit/s besonders gut geeignet.
Wie bereits vorangehend erläutert, lassen sich die Transmissionseigenschaften eines in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Moduls durch die gezielte Anpassung der spezifischen Leitfähigkeit des Substrates 1, der Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht 10 und durch das geometrische Layout des Kathoden- Pads 20 optimieren.
In weiteren Ausführungsbeispielen (nicht dargestellt) ist die elektrisch isolierende bzw. kapazitive Schicht auf der Unterseite des Substrats angeordnet. Auch kann vorgesehen sein, das Substrat nicht monolithisch aufzubauen, sondern in Hybridbausweise aus Teilbereichen ggf. unterschiedlicher Dotierung und/oder Materials zusammenzusetzen.

Claims

1. Optoelektronisches Modul mit einer auf einem Substrat (1) angeordneten Laserdiode (2), die mittels einer elektronischen Ansteuereinrichtung ansteuerbar ist, wobei mindestens eine Elektrode (20) der Laserdiode (2) mit dem Substrat (1) verbunden oder gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) zur Impedanzanpassung der Laserdiode (2) an die zugeordnete elektronische Ansteuereinrichtung als mit der einen Elektrode (20) der Laserdiode (2) gekoppelte elektrische Leitung ausgebildet ist, und die Impedanzanpassung über eine Einstellung der spezifischen elektrischen Leitungseigenschaften des Substrates (1) erfolgt.

2. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) an einem beabstandet von der einen Elektrode (20) am Substrat (1) angeordneten elektrischen Kontakt (K) mit einem definierten elektrischen Potential beaufschlagt ist, und die spezifischen elektrischen Leitungseigenschaften des Substrates (1) im Leitungsbereich (Z) zwischen der einen Elektrode (20) der Laserdiode (2) und dem elektrischen Kontakt (K) des Substrates (1) während des Betriebes der Laserdiode (2) zur Anpassung der Impedanz der Laserdiode (2) an die zugeordnete elektronische Ansteuereinrichtung dienen.

3. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein Halbleitermaterial enthält.

4. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein dotiertes Halbleitermaterial aufweist, wobei die Dotierung des Halbleitermaterials den spezifischen Widerstand des Substrates (1) bestimmt.

5. Optoelektronisches Modul gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) im Leitungsbereich (Z) einen elektrisch isolierenden Abschnitt (10) aufweist, wobei die Abmessungen des elektrisch isolierenden Abschnittes (10) den kapazitiven Widerstand des Substrates (1) im Leitungsbereich (Z) beeinflusst.

6. Optoelektronisches Modul gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode (20) zusammen mit der Laserdiode (2) auf einer ersten Oberfläche (11) des Substrates (1) und der elektrische Kontakt (K) auf einer zweiten Oberfläche (11') des Substrates (1) angeordnet ist.

7. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) flächig ausgebildet und die erste Oberfläche (11) des Substrates (1) entgegengesetzt zur zweiten Oberfläche (11') des Substrates (1) angeordnet ist.

8. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) an der ersten Oberfläche (11) und/oder an der zweiten Oberfläche (11') den elektrisch isolierenden Abschnitt in Form einer elektrisch isolierenden Schicht (10) aufweist.

9. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) an der ersten Oberfläche (11) den elektrisch isolierenden Abschnitt in Form einer elektrisch isolierende Schicht (10) aufweist.

10. Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode (20) der Laserdiode (2) auf der elektrisch isolierenden Schicht (10) angeordnet ist.

11. Optoelektronisches Modul gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (10) als SiO₂-Dünnschicht ausgebildet ist.

12. Optoelektronischer Transceiver mit einem optoelektronischen Modul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.