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Die
Erfindung betrifft ein optoelektronisches Modul mit Impedanzanpassung.
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Aus
der
EP 0 366 472 A2 ist
ein optoelektronisches Modul bekannt, bei dem ein Laser auf einem Siliziumsubstrat
angeordnet ist. Eine Elektrode des Lasers ist unmittelbar mit einem
Kontaktpin eines Modulgehäuses
des Moduls verbunden. Eine andere Elektrode des Lasers steht mit
dem Substrat derart in Verbindung, dass der Strom von der anderen
Elektrode über
das Substrat zu einem weiterem Kontaktpin des Modulgehäuses gelangen
kann. Der Laserstrom fließt
bei dem vorbekannten optoelektronischen Modul somit durch das Substrat
hindurch.
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Darüber hinaus
sind als Stand der Technik auch optoelektronische Module vorbekannt,
bei denen ein Laser auf einem Substrat befestigt ist und ein Stromfluss
unter Verwendung eines metallischen Leiters erfolgt. Zu nennen sind
hierbei beispielsweise die optoelektronischen Module gemäß dem US-Patent
US 5,519,363 A und gemäß der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
197 19 853 A1 .
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Bei
dem optoelektronischen Modul gemäß dem US-Patent
US 5,519,363 A ist
ein Laser auf einem hochohmigen Siliziumsubstrat befestigt. Das
Siliziumsubstrat wirkt als hochohmiges Dielektrikum eines „Zuleitungswellenleiters”, der einen
Wellenwiderstand von 50 Ohm aufweist.
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Bei
dem optoelektronischen Modul gemäß der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
197 19 853 A1 sind auf einem Siliziumsubstrat – elektrisch
isoliert – Zuleitungen
aufgebracht, mit denen ein auf dem Siliziumsubstrat angeordneter
Laser elektrisch kontaktiert wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches
Modul bereitzustellen, das auf möglichst
einfache und kostengünstige
Weise die vorangehend beschriebenen Probleme löst.
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Diese
Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Modul mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Substrat zur hochfrequenzmäßigen Impedanzanpassung der
Laserdiode an die zugeordnete elektronische Ansteuereinrichtung
als mit der einen Elektrode der Laserdiode wechselstromführend verbundene elektrische
Leitung ausgebildet ist, und die Impedanzanpassung über eine
Einstellung der spezifischen elektrischen Leitungseigenschaften
des Substrates erfolgt. Eine Stromleitung von der Ansteuereinrichtung
zur Laserdiode erfolgt dabei durch das Substrat hindurch, d. h.
ohne dass eine direkte metallische Verbindung besteht.
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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.
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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.
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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.
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Das
Substrat ist 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.
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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.
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Das
Substrat ist des weiteren 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.
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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.
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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.
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Der
elektrisch isolierende Abschnitt ist bevorzugt als elektrisch isolierende
Schicht ausgebildet, die zumindest teilweise die erste und/oder
die zweite Oberfläche
des Substrates bildet.
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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.
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Insbesondere
bei der Verwendung eines Siliziumsubstrates lässt sich die elektrisch isolierende Schicht
besonders einfach als Siliziumoxiddünnschicht ausbilden.
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Eine
konkrete Ausführungsform
der Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 – eine nicht
maßstabsgerechte
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des optoelektronischen
Moduls;
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2 – ein Ersatzschaltbild
des in 1 dargestellten optoelektronischen Moduls und
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3 – eine graphische
Darstellung der simulierten Transmissionseigenschaften erfindungsgemäßer optoelektronischer
Module in Abhängigkeit der
Ansteuerfrequenz für
Substrate unterschiedlicher spezifischer Leitfähigkeit.
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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 vertikalemittierende Laserdiode handeln.
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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.
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Die
andere Elektrode 21 ist als Anoden-Pad auf der dem Substrat 1 abgewandten
Oberfläche
der Laserdiode 2 angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist selbstverständlich,
dass anders als in 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.
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2 zeigt
ein elektrisches Ersatzschaltbild des in 1 dargestellten
optoelektronischen Moduls.
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Wie
vorangehend beschrieben, lässt
sich der ohmsche Widerstand des Substrates Rsubmount und
der durch die Dünnschicht
und das Katoden-Pad 20 beeinflusste kapazitive Widerstandsanteil
Coxide innerhalb vorgegebener Grenzen frei
einstellen.
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Insbesondere
wird der ohmsche Widerstand des Substrates 1 Rsubmount über eine
geeignete Dotierung des Substrats und die Beabstandung zwischen der
einen Elektrode 20 und dem elektrischen Kontakt K des Substrates 1 eingestellt.
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Der
kapazitive Widerstandsanteil Coxide wird über die
Schichtdicke und/oder das Schichtmaterial der elektrisch isolierenden
Schicht 10 und die Geometrie des Kathoden-Pads 20 eingestellt.
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Die
Gesamtimpedanz von Laserdiode 2 und Substrat 1 ergibt
sich somit aus einer Reihenschaltung des ohmschen Widerstandsanteils
des Substrates Rsubmount und dem kapazitiven
Widerstandsanteil des Substrates Coxide mit
der Parallelschaltung des ohmschen Widerstandsanteils Rlaser der
Laserdiode 2 und des kapazitiven Widerstandsanteils Claser der Laserdiode 2.
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Das
Substrat 1 erfüllt
daher die elektrische Funktion einer zusätzliche R-C-Beschaltung des ohmschen
Widerstandsanteiles Rlaser und des kapazitiven
Widerstandsanteils Claser der Laserdiode 2.
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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.
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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.
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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.
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Wie
bereits vorangehend erläutert,
lassen sich die Transmissionseigenschaften eines in 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.
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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.