DE19705042C1 - Anordnung zum Ankoppeln von optoelektronischen Elementen mit jeweils einer optisch empfindlichen Oberfläche an zugeordnete Lichtwellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet optoelektronischer Verbin­ dungen und betrifft eine Anordnung zum Ankoppeln von opto­ elektronischen Elementen mit jeweils einer optisch empfindli­ chen Oberfläche an zugeordnete Lichtwellenleiter.

Aus der US 5,420,954 ist eine Koppelanordnung bekannt, bei der oberflächenemittierende Laserdioden rückseitig auf einem ersten Träger angeordnet sind, wobei die Laserdioden senk­ recht zur Trägeroberfläche abstrahlen. Zusätzlich sind Löcher auf dem ersten Träger neben den Laserdioden vorgesehen. Ein zweiter Träger weist eine Vielzahl von Lichtwellenleitern auf, die an einer vorpräparierten Stirnseite des zweiten Trä­ gers enden. Aus dieser Stirnseite ragen parallel zu den Lichtwellenleitern angeordnete Ausrichtstifte heraus, wobei die Ausrichtstifte und die Lichtwellenleiter in einem Muster angeordnet sind, welches mit dem der Anordnung der Ausnehmun­ gen und der Laserdioden auf dem ersten Träger korrespondiert. Durch die Wechselwirkung der Ausrichtstifte mit den Löchern beim Zusammenfügen der beiden Träger werden die Lichtwellen­ leiter und die Laserdioden zueinander passiv ausgerichtet. Durch Neigung des ersten oder Verspannung des zweiten Trägers kann es leicht zu einer Fehlanpassung und damit zum Ausfall der Koppelanordnung kommen.

Eine weitere Anordnung zur Ankopplung von optoelektronischen Elementen an Lichtwellenleiter ist in der EP 0 682 279 A1 be­ schrieben. Auf einem Träger aus einem Halbleiter-Substrat ist ein optoelektronisches Element in Form z. B. einer Photodiode mit ihrer zu einer ersten Oberfläche des Trägers zugewandten optisch empfindlichen Oberfläche angeordnet. Auf einer zur ersten Oberfläche des Trägers koplanar ausgerichteten zweiten Oberfläche ist in dem Halbleiter-Substrat eine V-förmige Ver­ tiefung und senkrecht zu dieser eine V-förmige Nut zur Auf­ nahme eines Lichtwellenleiters vorgesehen, wobei zwischen dem Ende der Nut und der V-förmigen Vertiefung Substratmaterial mit schrägen Flanken verbleibt; am Ende der Nut befindet sich die Faserstirnseite des eingelegten Lichtwellenleiters. Im Lichtwellenleiter geführtes Licht wird an der Faserstirnseite des Lichtwellenleiters emittiert, dringt in das verbliebene Substratmaterial ein und wird an der vertiefungsseitigen Flanke des verbliebenen Substratmaterials in Richtung Photo­ diode durch den Träger hindurch totalreflektiert. Zur Kopp­ lung muß das Licht durch eine der optisch empfindlichen Flä­ che vorgelagerte Linse fokussiert werden. Diese Anordnung ist aufwendig ausgeführt und auch optisch verlustbehaftet. An­ stelle einer Photodiode kann auch eine Laserdiode eingesetzt werden, wobei dann die Lichtübertragung in umgekehrter Rich­ tung in Bezug auf die obenbeschriebene Anordnung mit einer Photodiode erfolgt.

Eine weitere Anordnung, bei der ein zusätzlich auf einen Trä­ ger mit Photodiode aufgesetzter Deckel mit innenliegender Spiegelfläche die Strahlumlenkung vom Lichtwellenleiter zur Photodiode bewirkt ist in der EP 0 660 146 A1 offenbart.

Eine Anordnung zum Ankoppeln von optoelektronischen Elementen mit jeweils einer optisch empfindlichen Oberfläche an zuge­ ordnete Lichtwellenleiter ist in der DE 33 15 861 A1 be­ schrieben. Die dort offenbarte Anordnung umfaßt einen aus Kunststoff bestehenden Träger, in dem eine einzige Nut zur Aufnahme eines einzigen Lichtwellenleiters vorgesehen ist, die sich bis zu einer spiegelnden und geneigten Fläche er­ streckt. Ein Emitterelement ist mit seiner optisch aktiven Seite dem Träger dergestalt zugewandt, daß das vom Emittere­ lement abgestrahlte Licht an der geneigten Fläche reflektiert und in den Lichtwellenleiter, der mit seiner Stirnfläche der geneigten Fläche unmittelbar vorgelagert ist, eingekoppelt wird. Die geneigte Fläche ist als Strahlteiler ausgebildet, wodurch ein Teil des Lichts bei der Reflexion verloren geht. Der Lichtwellenleiter tritt aus der Anordnung aus und endet offenbar an einer korrespondierenden entsprechenden Anord­ nung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Koppelanordnung zu schaf­ fen, die konstruktiv einfach und austauschbar ist sowie eine optisch verlustarme Ankopplung von Lichtwellenleitern an op­ toelektronische Elemente ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zum Ankoppeln von optoelektronischen Elementen mit jeweils einer optisch empfindlichen Oberfläche an zugeordnete Lichtwellenleiter mit einem aus Kunststoff bestehenden Träger, auf dem die op­ toelektronischen Elemente angeordnet sind, wobei die optisch empfindlichen Oberflächen einer Seite des Trägers zugewandt sind, wobei in einer strukturierten Vertiefung derselben Sei­ te die Lichtwellenleiter untergebracht sind, wobei auf der­ selben Seite reflektierende Oberflächen zur Lichtumlenkung zwischen den Lichtwellenleitern und den optoelektronischen Elementen vorhanden sind, und wobei der Träger parallel zur Ebene der strukturierten Vertiefungen angeordnete Führungs­ mittel aufweist.

Im Sinne der Erfindung wird unter einem Lichtwellenleiter je­ de Vorrichtung zur räumlich begrenzt geführten Weiterleitung eines optischen Signals verstanden, insbesondere konfek­ tionierte Lichtwellenleiter und sogenannte Waveguides. Wei­ terhin soll unter einem optoelektronischen Element mit licht­ empfindlicher Oberfläche sowohl ein Sende- als auch ein Emp­ fangselement verstanden werden, insbesondere Lichtemitter­ dioden, oberflächenemittierende Laserdioden sowie Photo­ dioden.

Durch die gemeinsame Anordnung von optoelektronischen Elemen­ ten, Lichtwellenleitern und spiegelnden Flächen auf einer Seite des Trägers erfolgt in vorteilhafter Weise eine unmit­ telbare Ankopplung der Lichtwellenleiter an die optoelektro­ nischen Elemente unter Vermeidung des verlustbehafteten Durchdringens des Trägersubstrats. Eine Einschränkung auf Trägermaterialien, die im relevanten Spektralbereich transpa­ rent sind, ist nicht notwendig. Somit können als Trägermate­ rial Kunststoffe verwendet werden, die durch Formtechniken mit der notwendigen Genauigkeit relativ kostengünstig bear­ beitet werden können. Durch Verwendung eines Kunststoffs kann die erfindungsgemäße Anordnung auch zur Kopplung mit Licht­ wellenleitersteckern ausgebildet werden. Kunststoffe weisen im Gegensatz zu üblicherweise verwendeten kristallinen Mate­ rialien, beispielsweise oberflächenorientiertem Silizium, ei­ ne vergleichsweise geringe Sprödigkeit auf und können eventu­ ell auftretende Verspannungen ohne Materialbruch überstehen.

Weiterhin weist daß der Träger parallel zur Ebene der struk­ turierten Vertiefungen angeordnete Führungsmittel auf. Diese dienen der Ausrichtung von Lichtwellenleitern eines anzukop­ pelnden Steckers an den anordnungsseitigen Lichtwellenleitern durch die Wechselwirkung mit steckerseitigen Führungsmitteln. Dadurch kann die erfindungsgemäße Anordnung mit anderen Bau­ gruppen über optische Fernleitungen in Wechselwirkung treten. Durch die Trennung der anordnungsseitigen Lichtwellenleiter von der Fernleitung wird eine mechanische Entkopplung er­ zielt, wodurch eventuell auftretende Zugkräfte nicht auf die anordnungsseitigen Lichtwellenleiter übertragen werden. Ins­ besondere die zueinander ausgerichteten optoelektronischen Elemente und Lichtwellenleiter werden nicht dejustiert. Wei­ terhin gestattet die erfindungsgemäße Anordnung einen flexi­ blen und modularen Aufbau eines Netzwerkes mit weiteren Bau­ gruppen, wobei eine eventuell defekte erfindungsgemäße Anord­ nung leicht ersetzt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen An­ ordnung zeichnet sich dadurch aus, daß zumindest ein opto­ elektronisches Element ein oberflächenemittierender Laser ist. Die erfindungsgemäße Anordnung kann also als Sende- und/oder Empfangsbaugruppe verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich durch eine paraboloide Form der reflektierenden Oberflächen aus. Durch eine solche Form der reflektierenden Oberflächen wird die Koppeleffizienz deutlich erhöht. Das im Falle einer Pho­ todiode als optoelektronisches Element von einem Lichtwellen­ leiter in einen Raumwinkel emittierte Strahlenbündel wird durch die parabolförmige Oberfläche nahezu vollständig auf die optisch empfindliche Fläche der Photodiode reflektiert. Umgekehrt wird das von einem oberflächenemittierenden Laser ausgehende Strahlenbündel optimal in den Lichtwellenleiter eingekoppelt. Damit ist es möglich, die gesamte Apertur der Lichtwellenleiter und der Laser zur Ein- und Auskopplung zu nutzen. Weiterhin können Lichtwellenleiter, die nur eine achsnahe Signalmode, sogenannte Singlemodefaser, weiterlei­ ten, ohne große Koppelverluste verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die reflektie­ renden Oberflächen einen spiegelnden Überzug tragen. Hier­ durch kann ein Reflexionsgrad von nahe 1 erzielt werden. Derartige Überzüge können beispielsweise durch Metallisierun­ gen oder dielektrische Schichten realisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtwellenleiter von in die strukturierten Vertiefungen eingebrachtem Material mit einem Brechungsindex gebildet sind, der größer als der des Kunststofformkörpers ist. Hierdurch werden Lichtwellenleiter geschaffen, die einen integralen Bestandteil des Trägers bilden. Dabei wird in ei­ nem Arbeitsschritt ein geeignetes Material in die Vertiefun­ gen eingebracht und verfestigt. Das aufwendige Präparieren von vorkonfektionierten Lichtwellenleitern vor deren Aufnahme in die Vertiefungen entfällt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels erläutert und in zwei Figuren graphisch skizziert. Es zeigen

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel in Explosionsdarstellung und

Fig. 2 dasselbe Ausführungsbeispiel in zusammengefügtem Zustand.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 1 mit einem Träger 2 aus einem Kunststoffmaterial. In eine Oberfläche 6 des Trägers 2 sind zueinander parallel ausgerichtete Nuten 10 eingearbeitet, die von einer vorpräparierten Stirnfläche 16 bis etwa zur Mitte des Trägers 2 verlaufen und dort an ge­ neigten Flächen 18 als reflektierende Oberflächen enden. In die Nuten 10 als strukturierte Vertiefungen werden vorkonfek­ tionierte Lichtwellenleiter 20 eingebracht, die mit der Stirnfläche 16 nach einem Poliervorgang bündig abschließen. Seitlich der geneigten Flächen 18 und in Richtung der Nuten 10 sind Metallisierungen 24 auf der Oberfläche 6 vorgesehen, die mit Lötanschlußflächen 8 in Verbindung stehen. Auf die Metallisierungen 24 ist ein Diodenarray 4 mit vertikal emit­ tierenden Laserdioden als optoelektronische Elemente aufge­ setzt, die mit ihren optisch aktiven Flächen (nicht erkenn­ bar) an der Unterseite 26 des Diodenarrays 4 liegen und daher dem Träger 2 zugewandt sind. Das Diodenarray 4 weist an sei­ ner Unterseite 26 ebenfalls nicht dargestellte Metallisierun­ gen auf, die in ihrer räumlichen Anordnung der der trägersei­ tigen Metallisierungen 24 entsprechen. Die Laserdioden des Diodenarrays 4 sind zu den arrayseitigen Metallisierungen ge­ nauso wie die geneigten Flächen 18 zu den trägerseitigen Me­ tallisierungen 24 angeordnet, so daß bei einem Aufbringen des Diodenarrays 4 auf den Träger 2 die arrayseitigen und träger­ seitigen Metallisierungen 24 aufeinander und die Laserdioden und den geneigten Flächen 18 gegenüberliegen. Die genaue Aus­ richtung erfolgt dabei durch die zentrierende Wirkung der Oberflächenspannung von verflüssigtem Lot, welches zunächst in Form kleiner erstarrter Kugeln auf die trägerseitigen Me­ tallisierungen 24 aufgebracht und nach dem grob vorjustierten Aufsetzen des Diodenarray 4 auf den Träger 2 erhitzt wird. Das Lot benetzt nachfolgend nur die arrayseitigen und die trägerseitigen Metallisierungen 24 und richtet infolge seiner Oberflächenspannung die Metallisierungen deckungsgleich zu­ einander aus. Gleichzeitig erfolgt hiermit die elektrische Kontaktierung der Laserdioden. Durch die Ausrichtung des Di­ odenarrays 4 wird eine optimale optische Kopplung zwischen den Laserdioden und den Lichtwellenleitern 20 erzielt. Die geneigten Flächen 18 dienen dabei der Strahlumlenkung.

Beiderseits der Nuten 10 erstrecken sich von der Stirnfläche 16 ausgehend und parallel zu den Nuten 10 verlaufend im Quer­ schnitt trapezähnliche Erhebungen 28, deren den Nuten 10 zu­ gewandte Flanken 32 zu den Nuten 10 hin schräg abfallen. Die Erhebungen 28 dienen der Fixierung eines im Querschnitt tra­ pezförmigen Deckels 34, der mit seiner Unterseite 36 die Nu­ ten 10 mit den eingelegten Lichtwellenleitern 20 überdeckt. Der Deckel 34 hat derartig bemessene Seitenwände 38, daß er genau zwischen die Flanken 32 der Erhebungen 28 auf den Trä­ ger 2 paßt.

Die Anordnung 1 gestattet eine einfache und sichere Ankopp­ lung der Lichtwellenleiterabschnitte 20 an die Laserdioden im Diodenarray 4. Die geneigten Flächen 18, die mit einem spie­ gelnden Überzug versehen sind, weisen einen definierten Win­ kel bezüglich der Längsrichtung der Lichtwellenleiter 20 auf, so daß das von den Laserdioden emittierte Signal verlustarm in die Lichtwellenleiter 20 eingekoppelt wird.

Fig. 2 zeigt die Anordnung 1 im zusammengefügten Zustand. Es wurden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 für korre­ spondierende Merkmal gewählt. Der Deckel 34 überdeckt die Nu­ ten 10 mit den eingelegten Lichtwellenleitern 20 und schließt bündig mit der Stirnfläche 16 und den Stirnseiten der Licht­ wellenleiter 20 ab. Durch die Flanken 32 wird der Deckel 34 seitlich arretiert. Zusätzlich ist ein Klebemittel in die Nu­ ten 10 und zwischen den Flanken 32 und den Seitenwänden 38 eingefügt; das Klebemittel fixiert einerseits die Lichtwel­ lenleiter 20 in den Nuten 10 und andererseits den Deckel 34 auf dem Träger 2. In den Erhebungen 28 sind parallel zu den Nuten 10 verlaufende Sacklöcher 30 vorgesehen, die der Aus­ richtung und Fixierung von nicht dargestellten Führungsstif­ ten eines ebenfalls nicht gezeigten Anschlußsteckers dienen. Dadurch werden steckerseitige Lichtwellenleiter oder op­ toelektronische Elemente bezüglich der Lichtwellenleiter 20 ausgerichtet und eine Weiterleitung von optischen Signalen ermöglicht. Beispielsweise kann die Ankopplung von steckpart­ nerseitigen Lichtwellenleitern über eine koaxiale Stumpfkopp­ lung an die Lichtwellenleiter 20 erfolgen.

Claims (5)

1. Anordnung zum Ankoppeln von optoelektronischen Elementen mit jeweils einer optisch empfindlichen Oberfläche an zuge­ ordnete Lichtwellenleiter

• - mit einem aus Kunststoff bestehenden Träger (2), auf dem die optoelektronischen Elemente (4) angeordnet sind, wobei die optisch empfindlichen Oberflächen (26) einer Seite des Trägers (2) zugewandt sind,
• - wobei in einer strukturierten Vertiefung (10) derselben Seite die Lichtwellenleiter (20) untergebracht sind,
• - wobei auf derselben Seite reflektierende Oberflächen (18) zur Lichtumlenkung zwischen den Lichtwellenleitern (20) und den optoelektronischen Elementen (4) vorhanden sind, und
• - wobei der Träger (2) parallel zur Ebene der strukturierten Vertiefungen (10) angeordnete Führungsmittel (30) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein optoelektronisches Element (4) ein oberfläche­ nemittierender Laser ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Oberflächen (18) eine paraboloide Form aufweisen.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Oberflächen (18) einen spiegelnden Über­ zug tragen.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (20) von in die strukturierten Vertie­ fungen (10) eingebrachtem Material mit einem Brechungsindex gebildet sind, der größer als der des Kunststofformkörpers ist.