DE19650853A1 - Anordnung zum optischen Ankoppeln eines lichtaussendenden Elementes an ein lichtempfangendes Element - Google Patents

Description

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 652 454 A1 ist eine Anordnung zum Ankoppeln eines von einem Laser gebildeten lichtaussendenden Elementes an ein von einer Fotodiode gebil­ detes lichtempfangendes Element bekannt, bei der ein Koppel­ körper verwendet wird, der aus einem ersten optischen Teil und aus einem zweiten optischen Teil besteht. In dem ersten optischen Teil ist eine Vertiefung vorgesehen, die einander gegenüberliegende geneigte Seitenwände und einen dazwischen sich erstreckenden, parallel zur Oberfläche des Teils verlau­ fenden Boden aufweist. Die Seitenwände der Vertiefung sind verspiegelt. Oberhalb des ersten optischen Teils der bekann­ ten Anordnung befindet sich das zweite optische Teil, auf dessen freier Oberfläche der Laser und daneben die Fotodiode angeordnet sind. Das zweite optische Teil ist aus lichtdurch­ lässigem Material hergestellt und damit in der Lage, von dem Laser ausgesandtes Licht hindurchzuleiten.

Bei der bekannten Anordnung wird durch seitliche Führungen sichergestellt, daß das die Vertiefung tragende erste opti­ sche Teil in einer festen räumlichen Zuordnung zu dem den La­ ser und die Fotodiode tragenden zweiten optischen Teil ange­ ordnet ist. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil der Laser mit seiner lichtemittierenden Oberfläche sich der einen Sei­ tenwand der Vertiefung gegenüberliegend befindet, so daß das von ihm ausgehende Licht von dieser Seitenwand reflektiert wird und zur anderen Seitenwand gelangt. Dort erfolgt eine zweite Reflexion zur Fotodiode, die der zweiten Seitenwand gegenüberliegt. Eine genaue räumliche Zuordnung der beiden optischen Teile ist erforderlich, damit das von dem Laser ausgehende Licht infolge der beiden Reflexionen optimal zur Fotodiode übertragen wird.

Ferner ist aus der europäischen Patentanmeldung 0 603 549 A1 eine Anordnung zum optischen Ankoppeln eines lichtaussenden­ den Elementes an ein lichtempfangendes Element bekannt, bei dem der Koppelkörper ebenfalls aus zwei optischen Teilen be­ steht. Das erste optische Teil trägt eine erste relativ lang­ gestreckte Vertiefung, die geneigte Seitenwände aufweist. Ne­ ben dieser ersten Vertiefung befinden sich jeweils zwei klei­ ner bemessene weitere Vertiefungen, die mit ihrer jeweils der ersten Vertiefung zugewandten geneigten Seitenwand eine Re­ flexionsfläche bilden. Auf dem zweiten optischen Teil dieser bekannten Anordnung befinden sich ein lichtaussendendes Ele­ ment sowie ein lichtempfangendes Element nebeneinander auf einer Außenfläche, die zur Verbindungsfläche der beiden opti­ schen Teile abgewandt liegt. Zwischen beiden optischen Teilen ist im Zuge der Lichtstrahlen jeweils eine Sammellinse ange­ ordnet.

Bei dieser bekannten Anordnung ist das lichtaussendende Ele­ ment mit seiner lichtemittierenden Oberfläche der Außenfläche des Koppelkörpers zugewandt angeordnet und gibt damit Licht senkrecht in den Koppelkörper hinein ab. Dieses Licht fällt auf die reflektierende Seitenwand einer ersten der beiden kleineren Vertiefungen und wird von dort in die erste, lang­ gestreckte Vertiefung reflektiert, wo es mittels eines in dieser Vertiefung erzeugten Streifenwellenleiters zur anderen Seitenwand der langgestreckten Vertiefung geleitet wird. Von dort wird das Licht auf die reflektierende Seitenwand der an­ deren kleineren Vertiefung gelenkt; von dieser Seitenwand ge­ langt das Licht dann durch den Koppelkörper in das lichtemp­ fangende Element.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum optischen Ankoppeln eines lichtaussendenden Elementes an ein neben diesem Element angeordnet es lichtempfangendes Element vorzuschlagen, die sich vergleichsweise einfach herstellen läßt und die auch bei unterschiedlichen Abständen der beiden Elemente eine optimale optische Ankopplung gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer Anordnung zum optischen Ankoppeln eines lichtaussendenden Elementes an ein lichtempfangendes Element mit einem Koppel­ körper, bei der

• - vor einer Außenfläche des Koppelkörpers das lichtaussen­ dende und das lichtempfangende Element nebeneinander ange­ ordnet sind,
• - der Koppelkörper eine sich von der einen Außenfläche nach innen verjüngende, spiegelnde Vertiefung mit hinsichtlich eines Bodens einander gegenüberliegenden Seitenwänden auf­ weist
• - das lichtaussendende Element mit seiner lichtemittierenden Oberfläche der einen Außenfläche des Koppelkörpers zuge­ wandt angeordnet ist und vor der einen Seitenwand liegt,
• - vor der anderen Seitenwand der Vertiefung des Koppelkörpers das lichtempfangende Element mit seiner Lichtempfangsseite angeordnet ist, und
• - die Seitenwände eine derartige Neigung aufweisen, daß das Licht des lichtaussendenden Elements nach Reflexion an der einen Seitenwand, dem Boden und der anderen Seitenwand zum lichtempfangenden Element gelangt.

Es ist zwar aus der europäischen Patentanmeldung 0 622 874 A1 eine Anordnung zur Ankopplung eines optoelektronischen Emp­ fangselementes an ein optoelektronisches Sendeelement be­ kannt, bei der ein Koppelkörper mit einer Vertiefung versehen ist, die einen Boden und beiderseits des Bodens verlaufende schräge Seitenwände aufweist, die wie der Boden verspiegelt sind, jedoch ist bei dieser bekannten Anordnung das lichtaus­ sendende Element von einem kantenemittierenden Laser gebil­ det, der so angeordnet ist, daß seine eine lichtemittierende Kante an einer äußeren Kante der Vertiefung liegt. Von dem Laser wird daher Licht sowohl gegen den Boden, als auch gegen die gegenüberliegende Seitenwand gestrahlt, das dann zum lichtempfangenden Element reflektiert wird. Die bekannte An­ ordnung ist daher nur zur Verwendung von kantenemittierenden Lasern geeignet.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung be­ steht darin, daß sie im Vergleich zu den eingangs beschriebe­ nen Anordnungen verhältnismäßig einfach herstellbar ist, weil der Koppelkörper einteilig ausgebildet ist. Ein weiterer we­ sentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung wird darin gesehen, daß durch die Ausgestaltung des Koppelkörpers und der Anordnung der Elemente vor den Seitenwänden der Vertie­ fung und durch eine Neigung der Seitenwände derart, daß das Licht dreimal reflektiert wird, erreicht ist, daß bei glei­ chem Abstand des lichtaussendenden Elementes von dem licht­ empfangenden Element auch bei unterschiedlicher Positionie­ rung der Anordnung aus lichtaussendendem und lichtempfangen­ dem Element zu dem Koppelkörper eine optimale Ankopplung er­ möglicht ist, sofern nur die Anordnung mit den beiden Elemen­ ten jeweils den Seitenwänden gegenüberliegend angeordnet ist und damit das Licht über die eine Seitenwand, den Boden und die andere Seitenwand zu dem lichtempfangenden Element ge­ langen kann.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Koppelkörper hinsichtlich seiner Vertiefung unterschiedlich ausgebildet sein; als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn bei einem vorgegebenem Abstand a des lichtaussendenden von dem lichtempfangenden Element und einer Neigung α der Seitenwände zwischen 45 und 90° der Boden der Vertiefung eine Querer­ streckung d aufweist, die sich gemäß der Formel d = a/2·sin²α ergibt. Bei einer derartigen Bemessung der Ver­ tiefung ist nämlich eine optimale optische Ankopplung des lichtempfangenden Elementes an das lichtaussendende Element erreichbar.

Eine andere Lösung der oben aufgeführten Aufgabe besteht er­ findungsgemäß in einer Anordnung zum optischen Ankoppeln eines lichtaussendenden Elementes an ein lichtempfangendes Element mit einem Koppelkörper, bei der

• - vor einer Außenfläche des Koppelkörpers das lichtaussen­ dende und das lichtempfangende Element nebeneinander ange­ ordnet sind,
• - der Koppelkörper eine sich von der einen Außenfläche nach innen verjüngende, spiegelnde Vertiefung mit einander ge­ genüberliegenden Seitenwänden aufweist,
• - das lichtaussendende Element mit seiner lichtemittierenden Oberfläche der einen Außenfläche des Koppelkörpers zuge­ wandt angeordnet ist und vor der einen Seitenwand liegt,
• - vor der anderen Seitenwand der Vertiefung des Koppelkörpers das lichtempfangende Element mit seiner Lichtempfangsseite angeordnet ist, und
• - die Seitenwände im Grunde der Vertiefung aneinander stoßen und eine derartige hohle Kontur aufweisen, daß das Licht des lichtaussendenden Elements nach Reflexion an der einen Seitenwand und der anderen Seitenwand zum lichtempfangenden Element gelangt.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Lichtankopplung mit nur zwei Reflexionen und damit mit vergleichsweise geringen Lichtverlusten erfolgt; hinsichtlich einer unterschiedlichen Positionierung der Anordnung aus lichtaussendenden und lichtempfangenden Elementen ergibt sich auch hier der Vorteil eines positionstoleranten Koppelkör­ pers, weil auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung die optische Kopplung solange optimal bleibt, wie sich die beiden Elemente den hohlen Seitenwänden gegenüber befinden.

Besonders gut ist die optische Kopplung dann, wenn bei einem Abstand b des lichtaussendenden von dem lichtempfangenden Element die Kontur jeder Seitenwand gemäß der Beziehung

gestaltet ist, in der mit z eine vom Grunde der Ver­ tiefung zu der einen Außenflächen zählende Höhenvariable be­ zeichnet ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Anordnung ist die lichtemittierende Oberfläche des lichtaussendenden Elementes von mehreren in einer Reihe oder in einer Fläche angeordneten Sendebereichen und die Lichtempfangsseite des lichtempfangenden Elementes von in einer Reihe oder in einer Fläche angeordneten Empfangsberei­ chen gebildet. Durch den Koppelkörper wird nämlich bei einer derartigen Ausgestaltung des lichtaussendenden und des licht­ empfangenden Elementes dafür gesorgt, daß auf der Sende- und der Empfangsseite dieselbe räumliche Zuordnung der Bereiche möglich ist; so gelangt beispielsweise bei in einer Reihe liegenden Sendebereichen das Licht des ersten Sendebereichs zum ersten Empfangsbereich, ohne daß eine Vertauschung der Reihenfolge eintritt.

Der Koppelkörper kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Koppelkörper aus kristallinem Material oder aus Glas besteht. Damit ist nämlich die Möglichkeit ge­ geben, durch anisotropes Ätzen eine wohldefinierte Neigung der Seitenwände herbeizuführen. Geeignet ist dieses Material - Silizium oder Galliumphosphid - insbesondere für eine Ver­ tiefung mit ebenen Seitenwänden und einem Boden. Bei einer Verwendung von Glas lassen sich beispielsweise durch Gießen oder Pressen sowohl Koppelkörper mit ebenen Seitenwänden als auch solche mit hohlen Seitenwänden herstellen.

Unter Umständen kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Kop­ pelkörper aus Kunststoff oder Metall gebildet ist, weil sich bei Verwendung dieser Materialien leicht Koppelkörper mit der Vertiefung herstellen lassen.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt vorteilhaft bei einer op­ toelektronischen Sendebaugruppe mit mindestens einem Sendee­ lement, mindestens einem Monitorelement und einer Kopplungs­ vorrichtung anwenden, welche mindestens ein optisches Kop­ pelelement und mindestens ein reflektierendes Element auf­ weist, wobei eine strahlungsempfindliche Oberfläche des Moni­ torelementes und eine aktive Oberfläche des Sendeelementes der Kopplungsvorrichtung zugewandt sind, wenn erfindungsgemäß die Anordnung der Kopplungsvorrichtung, des von dem lichtaus­ sendenden Element gebildeten Sendeelements und des von dem lichtempfangenden Element gebildeten Monitorelements zueinan­ der so gestaltet ist, daß gegenüber einem auf einer einzigen Bauteilseite des Sendelements befindlichen Abschnitt der ak­ tiven Oberfläche sowohl der Koppelkörper als auch das Kop­ pelelement angeordnet sind.

Gegenüber einer aktiven Oberfläche, die sich auf einer einzi­ gen Bauteilseite eines Sendeelements befindet, sind minde­ stens ein Koppelelement und ein reflektierendes Element an­ geordnet. Das Koppelelement hat die Funktion, einen Teil der von dem Sendeelement emittierten Strahlung als Nutzstrahlung auszukoppeln. Dies kann beispielsweise durch die Fokussierung auf die Stirnfläche eines Lichtwellenleiters oder durch Kol­ limation der Strahlung realisiert sein. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Anordnung ein Freiraum (Frei­ strahlbereich) geschaffen, der zur Integration weiterer op­ tischer Elemente verwendet werden kann. Beispielsweise ge­ stattet das in einem solchen Freistrahlbereich plazierte Kop­ pelkörper die Umlenkung zumindest eines Teils der emittierten Strahlung auf ein Monitorelement. Durch diese Umlenkung kann das Monitorelement außerhalb des Abstrahlungsgebiets des Sendeelements angeordnet sein. Unerwünschte Abschattungen der Strahlung durch ein unmittelbar in das direkte Abstrah­ lungsgebiet eingebrachtes Monitorelement werden vermieden. Erfindungsgemäß wird die in eine Richtung ausgesandte Strahlung einer einzigen Oberfläche sowohl als Nutzsignal, als auch für die Detektion der Strahlungsintensität verwen­ det. Die Ausnutzung einer zweiten Abstrahlungsrichtung des Sendeelements ist nicht mehr erforderlich. Dadurch können auch einseitig emittierende Bauelemente einer aktiven Rege­ lung unterworfen werden. Durch die Anordnung des Koppelele­ ments und des Koppelkörpers gegenüber einer Bauteilseite des Sendeelements wird die Baufreiheit erhöht und es kann eine kompaktere und dichtere Bauweise erreicht werden. Der Koppel­ körper wie auch das optische Koppelelement sind Teile einer Kopplungsvorrichtung, die im Regelfall dem Sende- und Moni­ torelement gegenüber angeordnet ist.

Vorzugsweise wird eine Anordnung gewählt, die den zum Moni­ torelement umgelenkten Strahlungsanteil so begrenzt, daß eine sichere Regelung der Strahlungsintensität möglich ist, eine zu starke Schwächung des zum optischen Koppelelement drin­ genden Anteils jedoch vermieden ist. Für Sendebaugruppen mit Einzellasern wird durch den Koppelkörper und das Koppelele­ ment die Strahlung geteilt (Strahlteilerprinzip).

Im Gegensatz dazu kann bei Sendebaugruppen, bei denen die ak­ tive Oberfläche mehrere Laser aufweist, die Strahlung eines Lasers zur Regelung des Treiberstroms aller Laser ausgenutzt werden. Die Oberfläche kann dabei in mehrere aktive Bereiche unterteilt sein oder durch Zusammenfassen von mehreren dis­ kreten Einzellasern gebildet werden. Wenigstens gegenüber einem Abschnitt der aktiven Oberfläche auf einer einzigen Bauteilseite - der Abschnitt kann dabei einen oder mehrere emittierende Bereiche oder Einzellaser umfassen - ist ein Koppelkörper und ein Koppelelement angeordnet.

Die Kopplungsvorrichtung kann als massiver Grundkörper mit Koppelelement und Koppelkörper ausgebildet sein. Bekannte planare Strukturierungstechniken können in vorteilhafter Weise zur Integration des Koppelelements und des Koppelkör­ pers herangezogen werden. Die Justage der Kopplungsvorrich­ tung kann bei aktivem oder inaktivem Sendeelement erfolgen. Beide Justagemöglichkeiten dienen der gewünschten Lageaus­ richtung der Kopplungsvorrichtung und dem Festlegen des Regelsignals.

Im Gegensatz zu üblichen Sendebaugruppen können der Koppel­ körper und das Koppelelement in der Kopplungsvorrichtung zusammengefaßt werden, wobei unter Ausnutzung hochpräziser Strukturierungstechniken hohe Genauigkeiten erreicht werden. In diesem Fall ist die spiegelnde Vertiefung in der Kopplungsvorrichtung vorhanden. Dies gilt entsprechend für die Montage von Sendeelement und Monitorelement auf einem ge­ meinsamen Träger. Durch den gewählten Aufbau ist auch eine monolithische Integration von Sende- und Monitorelement auf einem Halbleiter-Chip möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Koppelvor­ richtung aus einem im charakteristischen Emissionswellenlän­ genbereich des Sendeelements transparenten Material, wobei wenigstens ein Teil der von einem Abschnitt der aktiven Oberfläche des Sendeelements emittierten Strahlung durch Re­ flexion in der Weiterbildung auf das Monitorelement gelenkt wird, und ein weiterer Teil der Strahlung durch die Koppel­ vorrichtung dringt. Das Koppelelement kann dabei als dif­ fraktives und/oder refraktives Element ausgelegt sein. Be­ sonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Linse bzw. eines Linsensystems oder einer Zonenplatte, die auf der dem Sende- und Monitorelement abgewandten Seite der Kopplungseinheit aufgebracht ist. Es ist auch die Verwendung einer integrierten Gradientenindexlinse denkbar. Eine Anordnung auf der den elektronischen Bauelementen unmittelbar zugewandten Seite ist ebenfalls möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß we­ nigstens ein Teil der von dem Abschnitt emittierten Strahlung durch Reflexion am Koppelkörper auf das Monitorelement ge­ lenkt wird und ein anderer Teil der Strahlung am Koppelele­ ment reflektiert wird. Das Koppelelement ist vorteilhaft an der dem Sendeelement zugewandten Seite der Kopplungsvorrich­ tung angeordnet. Beispielsweise mittels eines Hohlspiegels wird die Strahlung von dem Koppelelement in einen Lichtwel­ lenleiter eingekoppelt.

Zur Beabstandung und optischen Ausrichtung können Distanz­ stücke zwischen einem sende- und monitorelementunterstützen­ den Träger und der Kopplungsvorrichtung eingesetzt werden. Zur Vermeidung störender, auf das Emissionssignal rückkop­ pelnder Reflexionen an der Kopplungsvorrichtung und dem Kop­ pelelement werden diese mit reflexionsunterdrückenden Be­ schichtungen versehen. Besondere Bedeutung kommt derartigen Beschichtungen bei Materialien mit hohem Brechungsindex, bei­ spielsweise Silizium, zu. Rückkopplungen können aber auch durch ein geeignetes Verkippen der Kopplungsvorrichtung ge­ genüber dem Sendeelement vermieden werden. Eventuell reflek­ tierte Strahlung gelangt durch die Verkippung nicht mehr auf die aktive Oberfläche des Sendeelements.

Unter Anwendung bekannter Verbindungstechniken wie Löten und Kleben wird aus der Kopplungsvorrichtung und den elektroni­ schen Bauelementen eine kompakte und dauerhafte Sendebau­ gruppe gebildet. Materialien, die ein gleiches thermisches Verhalten aufweisen, sind zu bevorzugen.

Zur Erhöhung des Integrationsgrades werden in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Sende- und Monitorelement unmit­ telbar von der Kopplungsvorrichtung getragen. Die Montage er­ folgt bevorzugt mit der Flip-Chip-Technik unter Verwendung von Bumps zur Kontaktierung, wobei der Effekt der Selbstzen­ trierung zusätzlich ausgenutzt werden kann. Dazu sind auf den zueinanderweisenden Oberflächen von Sende- und Monitorelement einerseits und Kopplungsvorrichtung andererseits Lötflächen vorgesehen, die Lötkügelchen (Bumps) tragen, welche durch Wärmeeinwirkung zum Schmelzen gebracht werden. Dadurch werden Sende- und Monitorelement mit der Kopplungsvorrichtung ver­ bunden und ausgerichtet. Diese Ausführungsform ist durch eine hervorragende mechanische und optische Stabilität gekenn­ zeichnet und kann kostengünstig hergestellt werden.

Entsprechend der bevorzugten Ausführungsformen sind elektri­ sche Kontaktmöglichkeiten entweder trägerseitig oder kopp­ lungsvorrichtungsseitig vorhanden. Vorzugsweise werden bond­ bare Goldbahnen auf einen Silizium- oder Glasträger verwen­ det.

Bei einer von stahlungsaktiven Sendebereichen gebildeten ak­ tiven Oberfläche des Sendeelements, bei dem die Bereiche in einer Reihe oder in einer Fläche angeordnet sind, läßt sich der Treiberstrom mehrerer Sendebereiche durch ein Monitore­ lement regeln, welches die emittierte Strahlung eines Sende­ bereichs empfängt. Für die individuelle Regelung jedes Sende­ bereichs hingegen wird jeweils ein zugehöriges Monitorelement benötigt. Ein oder mehrere Koppelkörper reflektieren einen Teil der von dem jeweiligen Sendebereich emittierten Strahlung auf das entsprechende Monitorelement. Die Ausge­ staltung der Koppelkörper und der Koppelelemente kann ent­ sprechend den verwendeten Materialien erfolgen.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Anordnung in schematischer Darstellung, in

Fig. 2 ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in ebenfalls schematischer Darstellung, in

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines im Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 gezeigten Koppelkörpers, in

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines im Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 wiedergegebenen Koppelkörpers, in

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Anwendung in einer Sendebau­ gruppe in einer Zehn-Kanal-Ausführung mit Linsenarray in 100- Siliziummaterial, in

Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sendebau­ gruppe mit unmittelbar auf der Kopplungsvorrichtung montier­ tem Sende- und Monitorelement, in

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Sendebau­ gruppe und in

Fig. 8 die Sendebaugruppe aus Fig. 7 entlang der Linie A-B wiedergegeben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein lichtaussen­ dendes Element 1 unmittelbar an einer Außenfläche 2a eines Koppelkörpers 2 angebracht. Das lichtaussendende Element 1 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an seiner lichtemittierenden Oberfläche 3 drei in einer Reihe angeord­ nete Sendebereiche 4, 5 und 6 auf, von denen Lichtstrahlen L1, L2 und L3 auf eine Seitenwand 7 einer reflektierenden Vertiefung 8 in dem Koppelkörper 2 abgegeben wird, weil das lichtaussendende Element 1 mit seiner lichtemittierenden Oberfläche 3 der Seitenwand 7 gegenüber angeordnet ist.

Ist der Koppelkörper 2 aus Silizium hergestellt, dann läßt sich die Vertiefung 8 leicht durch anisotropes Ätzen herstel­ len, wobei dann die Seitenwand 7 wie auch eine dieser gegen­ überliegende andere Seitenwand 9 eine Neigung α gegenüber einem Boden 10 zwischen den beiden Seitenwänden 7 und 9 auf­ weist, die 54,7° beträgt. Demzufolge werden die auf die Sei­ tenwand 7 einfallenden Lichtstrahlen L1 bis L3 so reflek­ tiert, daß sie auf den Boden 10 der Vertiefung 8 fallen und von dort auf die andere Seitenwand 9 reflektiert werden. Von dieser Seitenwand 9 werden die Lichtstrahlen L1, L2 und L3 in derselben Reihenfolge wie sie auf die eine Seitenwand 7 ge­ führt sind, reflektiert und gelangen zu einem lichtempfangen­ den Element 11, das eine Reihe von Empfangsbereichen 12, 13 und 14 an seiner Lichtempfangsseite 15 aufweist. Das licht­ aussendende Element 1 und das lichtempfangende Element 11 sind mittels einer Grundplatte 16 einander fest zugeordnet.

Die Fig. 1 läßt deutlich erkennen, daß die Lichtstrahlen L1 bis L3 in derselben räumlichen Zuordnung zum lichtempfangen­ den Element 11 übertragen werden, wie sie von dem lichtaus­ sendenden Element 1 abgegeben worden sind. Eine Vertauschung der Reihenfolge findet also nicht statt, was für die Zuord­ nung der Sende- und Empfangsbereiche der Elemente 1 und 11 vorteilhaft ist. Außerdem zeigt die Fig. 1 deutlich, daß durch eine unterschiedliche Positionierung des Koppelkörpers 2 zu den Elementen 1 und 11 bzw. den Sendebereichen 4 bis 6 und den zugeordneten Empfangsbereichen 12 bis 14 auf der Grundplatte 16 die optische Kopplung nicht beeinträchtigt wird, wenn die Längserstreckung d des Bodens 10 in Abhängig­ keit von dem Abstand a gemäß der nachstehenden Formel

d = a/2·sin²α

gewählt ist. Dies ist auf die dreifache Reflexion an den Sei­ tenwänden 7 und 9 und an dem Boden 10 zurückzuführen.

Ähnlich vorteilhaft ist die Ausführung nach Fig. 2, in der wiederum schematisch ein lichtaussendendes Element 21 mit Sendebereichen 22, 23 und 24 an einem Koppelkörper 25 gehal­ ten ist, der hohle Seitenwände 26 und 27 aufweist, die am Grunde einer Vertiefung 28 zusammenstoßen. Ist nämlich die Kontur jeder Seitenwand 26 bzw. 27 gemäß der Beziehung

gewählt - mit z als vom Grund der Vertiefung 28 zählender Hö­ henvariabler und b als Abstand zwischen dem lichtaussendenden Element 21 und einem lichtempfangenden Element 29 bzw. den den zugeordneten Sendebereichen 22 bis 24 und Empfangsberei­ chen 30 bis 32 -, dann läßt sich erreichen, daß von den Sen­ debereichen 22 bis 24 ausgesandte Lichtstrahlen L21, L22 und L23 zu dem ebenfalls an dem Koppelkörper 25 gehaltenen Licht­ empfangselement 29 mit den Empfangsbereichen 30, 31 und 32 in derselben räumlichen Zuordnung übertragen werden, wie sie ausgesandt worden sind. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gehen beispielsweise toleranzbedingte Positionierungsände­ rungen zwischen dem Koppelkörper 25 und der Anordnung mit den Elementen 21 und 29 auf einer Grundplatte 32 nicht in die Qualität der optischen Ankopplung ein.

In Fig. 3 ist nur der Koppelkörper 2 des Ausführungsbei­ spiels nach Fig. 1 perspektivisch dargestellt. Es sind hier deutlich die geneigten Seitenwände 7 und 9 und der Boden 10 dargestellt. Die stärker angezogenen Linien sollen spiegelnde Schichten verdeutlichen.

Fig. 4 zeigt den Koppelkörper 25 nach dem Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 2 in ebenfalls perspektivischer Darstel­ lung. Auch hier sind mit dickeren Linien spiegelnde Schichten auf den Seitenwänden 26 und 27 gekennzeichnet.

Eine Anwendung der Erfindung bei einer Sendebaugruppe, ausge­ führt als 10-Kanal-Anordnung mit Linsenarray in 100-Silizium, ist in Fig. 5 gezeigt. Hierbei besteht der Grundkörper 43 der Kopplungsvorrichtung 40 aus kristallinem Silizium mit der kristallographischen 100-Ausrichtung zur Grundkörperoberflä­ che. Die Linsen 53b bis 53n, die ebenfalls aus Silizium be­ stehen und durch planare Strukturierungstechniken unter Aus­ nutzung anisotroper und isotroper Ätztechniken bzw. Prägen hergestellt wurden, sind ihren zugeordneten Halbleiterlasern 45b bis 45n gegenüber ausgerichtet und fokussieren deren Strahlung 46b bis 46n. Die Halbleiterlaser 45a bis 45n werden durch das Laserarray 41 als lichtaussendendes Element repräsentiert.

Die emittierte Strahlung 46a eines Halbleiterlasers 45a wird zur Regelung des Treiberstroms aller Halbleiterlaser 45a bis 45n ausgenutzt. Die Laserstrahlung 46a wird durch eine Ver­ tiefung 48 an der dem Laserarray 41 zugewandten Seite des Grundkörpers 43 durch dreifache Reflexion auf die Monitor­ diode 42 geworfen. Die Vertiefung 48 ist im Querschnitt als Trapez mit geneigten Seitenflächen 51, 52 geformt, wie dies bereits in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist; der Koppel­ körper ist hier also in den Grundkörper 43 integriert. Der Winkel, der von den Seitenflächen 51, 52 mit der Unterseite des Grundkörpers 43 gebildet wird, hängt von der kristallo­ graphischen Ausrichtung des Siliziummaterials ab. Bei einer 100-Ausrichtung wird bei anisotropem Ätzen ein Winkel von ca. 55° eingestellt. Wird Prägen bei der Herstellung bevorzugt, kann prinzipiell jeder beliebige Winkel gewählt werden.

Eine besonders kompakte Sendebaugruppe soll anhand der Fig. 6 erläutert werden. Das Laserdiodenarray 61 als lichtaussen­ dendes Element mit einer Reihe von zeilenweise angeordneten Laserdioden 66a bis 66b (VCSEL-Dioden) ist unmittelbar auf der Unterseite des Grundkörpers 64 der Kopplungseinheit 60 befestigt. Die Kontaktierung des Arrays 61 erfolgt unter Ausnutzung von Bumps 65. Gleiches gilt für die Monitordiode 62. Auch hier ist der Koppelkörper in den Grundkörper 64 in­ tegriert, indem an der Unterseite des Grundkörpers 64 ist wie bereits in Fig. 5 dargestellt eine trapezförmige Vertiefung 68 vorgesehen ist. Monitordiode 62 und Laserdiodenarray 61 sind so angeordnet, daß genau eine Laserdiode 66a über den Rand der Vertiefung 68 ragt und einer geneigten Seitenwand 70 gegenübersteht. Auf der anderen Seite der Vertiefung 68 ist die lichtempfindliche Fläche 63 der Monitordiode 62 einer anderen Seitenwand 69 der Vertiefung 68 gegenüber angeordnet. Das emittierte Laserlicht 71a der Laserdiode 66a wird durch dreifache Reflexion auf die Monitordiode 62 gelenkt. Die Strahlung der Laserdiode 66b wird wie bereits in Fig. 5 beschrieben durch eine zugeordnete Linse 67 fokussiert.

Eine Sendebaugruppe, die eine individuelle Regelung jeder einzelnen Laserdiode ermöglicht, ist in Fig. 7 in einer Draufsicht gezeichnet. Einem zeilenartigen Laserdiodenarray 86 ist ein ebenfalls zeilenartiges Monitordiodenarray 87 zu­ geordnet, wobei die lichtempfindliche Oberfläche des Monitor­ arrays 87 und die aktive Oberfläche des Laserdiodenarrays 86 jeweils in Zeichenblattebene liegen und nach oben weisen. Beide Arrays 86, 87 sind auf einem Träger 81 befestigt. Seit­ lich neben beiden Arrays sind Distanzstücke 82, 83 auf dem Träger 81 angebracht, die die Kopplungsvorrichtung 80 tragen. Die gepunktete Linie deutet eine Vertiefung 85 eines in die Koppelvorrichtung integrierten Koppelkörpers an, die sich an der Unterseite der Kopplungsvorrichtung 80 befindet und parallel zu den Arrays 86, 87 ausgerichtet ist. Die Vertie­ fung 85 wird an zwei Seiten von zueinander geneigten und me­ tallisierten Wänden 89, 93 begrenzt, wobei die Seitenwand 93 entlang des Laserdiodenarrays 86 ausgerichtet ist und sich oberhalb der Laserdioden (nicht dargestellt) befindet, die Seitenwand 89 jedoch entlang der Monitordioden (ebenfalls nicht dargestellt) ausgerichtet ist. Die Neigung der Seiten­ wände 89, 93 zueinander ist so gewählt, daß mindestens ein Teil der emittierten Strahlung jeder Laserdiode durch zwei- oder dreifache Reflexion an den Seitenwänden 89, 93 und der Unterseite der Vertiefung 85 auf die zugeordnete Monitordiode des Monitordiodenarrays 87 gelangt.

Senkrecht oberhalb jeder Laserdiode ist eine Linse 88 auf der Oberseite der Kopplungsvorrichtung 80 angebracht. Dabei ist die Anordnung der Linsen 88 und der Seitenwand 93 so gewählt, daß bei senkrechter Projektion der Linse 88 und der Seiten­ wand 93 auf die Oberfläche des Laserdiodenarrays 86 die un­ tere Kante 91 der Seitenwand 93 über die Berandung jeder Linse 88 leicht übersteht. Die Größe dieses Überstandes be­ stimmt bei voller Ausleuchtung der Linse 88 durch die von ei­ ner Laserdiode emittierte Strahlung das Verhältnis des durch die Seitenwand 93 reflektierten Anteils der Laserstrahlung zum Strahlungsanteil, welcher durch die Linse 88 dringt.

Zur elektrischen Kontaktierung der Arrays 86, 87 sind geeig­ nete Bahnen 92, 96 auf dem Träger 81 aufgebracht. Bevorzugt werden bondbare Goldbahnen auf einem Silizium- oder Glasträ­ ger verwendet. Nur schematisch sind die Bonddrähte 90, 94 an­ gedeutet.

Zum besseren Verständnis des in Fig. 7 dargestellten Sach­ verhalts wird auf die Fig. 8 verwiesen, die einen Schnitt durch die Sendebaugruppe der Fig. 7 entlang der Linie A-B darstellt. Die Bezugszeichen, soweit korrespondierend, sind mit denen der Fig. 7 identisch. Auf dem Träger 81 sind zu­ einander beabstandet das Laserdiodenarray 86 und das Monitor­ diodenarray 87 fixiert. Die Arrays 86, 87 werden durch Bond­ drähte 90, 94 elektrisch kontaktiert. Durch die in der ge­ wählten Darstellung hintereinander in Flucht stehenden Di­ stanzstücke 82, 83 ist die Kopplungsvorrichtung 80 den Arrays 86, 87 gegenüber angeordnet, wobei die Vertiefung 85 auf der Unterseite des Grundkörpers 84 den Arrays 86, 87 zugewandt ist. Die geneigte Seitenwand 93 reicht mit ihrer Unterkante 91 leicht in den Strahlenkegel 100 einer Laserdiode 106 hin­ ein und schneidet so einen Teil 102 der emittierten Strahlung aus dem Kegel 100 heraus. Dieser Strahlungsanteil 102 wird an der Seitenwand 93, der Unterseite 110 der Vertiefung 85 und der Seitenwand 89 auf eine Monitordiode 108 reflektiert. Der überwiegende Teil der emittierten Strahlung 100 wird dagegen von der Linse 88 fokussiert.

Diese Ausführungsform gestattet es in vorteilhafter Weise den kompakten Aufbau der Kopplungsvorrichtung 80 mit der indivi­ duellen Treiberstromregelung jeder Laserdiode zu verbinden. Thermisch und mechanisch stabile Verbindungstechniken beim Fixieren der Kopplungsvorrichtung 80 auf den Distanzstücken 82, 83 und dem Ausrichten der Kopplungsvorrichtung 80 bezüg­ lich der Arrays 86, 87 gewährleisten eine hohe Lebensdauer der Sendebaugruppe.

Claims (10)

1. Anordnung zum optischen Ankoppeln eines lichtaussendenden Elementes (1) an ein lichtempfangendes Element (1) mit einem Koppelkörper (2), bei der

• - vor einer Außenfläche (2a) des Koppelkörpers (2) das lichtaussendende und das lichtempfangende Element (1; 11) nebeneinander angeordnet sind,
• - der Koppelkörper (2) eine sich von der einen Außenfläche (2a) nach innen verjüngende, reflektierende Vertiefung (8) mit hinsichtlich eines Bodens (10) einander gegenüberliegenden Seitenwänden (7, 9) aufweist,
• - das lichtaussendende Element (1) mit seiner licht­ emittierenden Oberfläche (3) der einen Außenfläche (2a) des Koppelkörpers (2) zugewandt angeordnet ist und vor der einen Seitenwand (7) liegt,
• - vor der anderen Seitenwand (9) der Vertiefung (8) des Koppelkörpers (2) das lichtempfangende Element (11) mit seiner Lichtempfangsseite (15) angeordnet ist, und
• - die Seitenwände (7, 9) eine derartige Neigung (2) aufweisen, daß das Licht des lichtaussendenden Elements (1) nach Reflexion an der einen Seitenwand (7), dem Boden (10) und der anderen Seitenwand (9) zum lichtempfangenden Element (11) gelangt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei einem Abstand a des lichtaussendenden von dem lichtempfangenden Element (1; 11) und einer Neigung α der Seitenwände zwischen 45 und 90° der Boden (10) der Vertiefung (8) eine Quererstreckung d aufweist, die sich gemäß der Formel d=a/2·sin²α ergibt.

3. Anordnung zum optischen Ankoppeln eines lichtaussendenden Elementes (21) an ein lichtempfangendes Element (29) mit einem Koppelkörper (25), bei der

• - vor einer Außenfläche des Koppelkörpers (25) das lichtaussendende und das lichtempfangende Element (21; 29) nebeneinander angeordnet sind,
• - der Koppelkörper (25) eine sich von der einen Außenfläche nach innen verjüngende, spiegelnde Vertiefung mit einander gegenüberliegenden Seitenwänden (26, 27) aufweist,
• - das lichtaussendende Element (21) mit seiner licht­ emittierenden Oberfläche der einen Außenfläche des Koppelkörpers (25) zugewandt angeordnet ist und vor der einen Seitenwand (26) liegt,
• - vor der anderen Seitenwand (27) der Vertiefung (28) des Koppelkörpers (25) das lichtempfangende Element (21) mit seiner Lichtempfangsseite angeordnet ist, und
• - die Seitenwände (26, 27) im Grunde der Vertiefung (28) aneinander stoßen und eine derartige hohle Kontur aufweisen, daß das Licht des lichtaussendenden Elements (21) nach Reflexion an der einen Seitenwand (26) und der anderen Seitenwand (27) zum lichtempfangenden Element (29) gelangt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei einem Abstand b des lichtaussendenden von dem lichtempfangenden Element (21; 29) die Kontur jeder Seitenwand (26, 27) gemäß der Beziehung gestaltet ist, in der mit z eine vom Grunde der Vertiefung (28) zu der einen Außenfläche zählende Höhenvariable bezeichnet ist.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die lichtemittierende Oberfläche (3) des lichtaussendenden Elementes (1) von mehreren in einer Reihe oder in einer Fläche angeordneten Sendebereichen (4, 5, 6) und die Lichtempfangsseite (15) des lichtempfangenden Elementes (11) von in einer Reihe oder in einer Fläche angeordneten Empfangsbereichen (12, 13, 14) gebildet ist.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Koppelkörper (2) aus kristallinem Material oder aus Glas besteht.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

• - der Koppelkörper (2) aus Kunststoff oder Metall gebildet ist.

8. Anwendung der Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche bei einer optoelektronischen Sendebaugruppe mit mindestens einem lichtaussendenden Element (41), mindestens einem Monitorelement (42) und einer Kopplungsvorrichtung (40), welche mindestens ein optisches Koppelelement (53b bis 53nl) und mindestens ein reflektierendes Element (48) aufweist, wobei eine strahlungsempfindliche Oberfläche des Monitorelements (42) und eine aktive Oberfläche (46a bis 46n1) des Sendeelements (41) der Kopplungsvorrichtung (40) zugewandt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Kopplungsvorrichtung (40), des lichtaussendenden Elements (41) und des von dem lichtempfangenden Element gebildeten Monitorelements (42) zueinander so gestaltet ist, daß gegenüber einem auf einer einzigen Bauteilseite des lichtaussendenden Elements (41) befindlichen Abschnitt (46a) der aktiven Oberfläche (46a bis 46b) sowohl die spiegelnde Vertiefung (48) als auch das Koppelelement (53b) angeordnet sind.

9. Anwendung der optoelektronischen Sendebaugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtung (40) aus einem im charakteristischen Emissionswellenlängenbereich des lichtaussenden Elements (41) transparenten Material besteht, daß wenigstens ein Teil der vom Abschnitt (46a) emittierten Strahlung durch Reflexion in der Vertiefung (48) auf das Monitorelement (42) gelenkt wird, und ein weiterer Teil der Strahlung durch die Kopplungsvorrichtung (40) dringt.

10. Anwendung der optoelektronischen Sendebaugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der vom Abschnitt emittierten Strahlung durch Reflexion in der Vertiefung auf das Monitorelement gelenkt wird, und ein weiterer Teil der Strahlung am Koppelelement reflektiert wird.