DE3543558A1 - Opto-elektrische koppelanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine opto-elektrische Koppelanord­ nung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Koppelanordnung ist bekannt aus der DE-OS 31 42 918. Die dort beschriebene Anordnung ist darauf ausgelegt, daß sehr niedrige Streukapazitäten vorhanden sind, so daß die Kapazität der Anordnung lediglich durch die Kapazität des Fotodetektors bestimmt ist. Außerdem sollen möglichst geringe Koppelverluste erreicht werden. Bei dieser Anordnung ist in einem Trägerelement, z.B. einem Keramikkörper, ein Schlitz vorhanden, in dem ein Lichtwellenleiter befestigt ist, z.B. durch Kleben oder Löten. An der Stirnfläche des Schlitzes ist der Fotodetek­ tor justierbar befestigt, z.B. durch Kleben. Dabei ist es wichtig, daß zwischen der ebenen Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters und der Lichteintrittsfläche des Foto­ detektors, z.B. einer PIN-Diode ein möglichst geringer Abstand, z.B. 20 Mikrometer, besteht, so daß Koppelver­ luste vermieden werden. Eine derartige Koppelanordnung erfordert einen sorgfältigen und daher kostenungünstigen Montagevorgang. Vor allem ist ungünstig, daß der Photo­ detektor nicht in der gleichen Ebene liegt wie der Licht­ wellenleiter und weitere, z.B. integrierte, elektrische Bauelemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungs­ gemäße Anordnung anzugeben, die einen kostengünstigen und zuverlässigen Zusammenbau ermöglicht, die insbesondere zwischen dem Fotodetektor und einem weiteren elektrischen Bauelement, z.B. einem Vorverstärker, möglichst kurze elektrische Verbindungsleitungen besitzt und die einen platzsparenden, planaren sowie mechanisch zuverlässigen Aufbau ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweck­ mäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf eine schema­ tische Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Schnitte durch eine erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 3 bis 5 schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels

Fig. 6 bis 6e Ausführungsbeispiele für eine verlustarme Ankopplung des Lichtwellenleiters.

Fig. 1 zeigt eine Koppelanordnung, bei welcher die elek­ trischen Bauelemente, z.B. Fotodetektor sowie Verstärker, als sogenannte hybride Bauelemente ausgebildet sind. Das Trägerelement 1, z.B. eine ungefähr 1 mm dicke Platte aus Glas oder Keramik, besitzt auf einer Oberfläche 10 eine Schaltungsanordnung aus elektrischen Bauelementen 6, z.B. Leiterbahnen sowie Transistoren und/oder integrierte Verstärker, die als hybride Bauelemente ausgebildet sind. mit dem Bezugszeichen 6′ ist ein Kontaktring bezeichnet, auf welchem der Fotodetektor 5, z.B. eine PIN-Diode, elek­ trisch leitend befestigt ist, z.B. durch Kleben. Ein zweiter Kontakt erfolgt durch einen Bonddraht. Die licht­ empfindliche Fläche 11 des Fotodetektors 5 ist der Ober­ fläche 10 zugewandt. Unterhalb der lichtempfindlichen Fläche 11 befindet sich ein durch das Trägerelement 11 hindurchgehender Durchbruch 9, z.B. eine Bohrung mit einem Durchmesser von ungefähr 200 µm. Dieser trifft auf eine grabenförmige Vertiefung 2, z.B. eine V-Nut mit einem Flankenwinkel von ungefähr 60° und einer Tiefe von unge­ fähr 150 µm. In dieser Vertiefung 2 ist einerseits ein Lichtwellenleiter 3 mit einem beispielhaften Durchmesser von ungefähr 120 µm befestigt, z.B. durch Kleben. In dem Lichtwellenleiter 3 ankommendes Licht wird über eine Linse 7, z.B. eine Stablinse, und ein Umlenkbauelement 4, z.B. eine Glasfaser mit einer geneigt angeschliffenen verspiegelten Fläche, auf die lichtempfindliche Fläche 11 geleitet. Zum Schutz der Anordnung ist es möglich, die Vertiefung 2 in dem metal­ lischen Träger 8 anzubringen und den Lichtwellenleiter 3 sowie das Umlenkbauelement 4 darin zu justieren. Anschlie­ ßend wird diese Anordnung mit einem vorgefertigten Träger­ element 1 und den darauf befindlichen und justierten Bauelementen zusammengefügt in der dargestellten Weise.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt senkrecht zu demjenigen der Fig. 1. Es ist dieselbe Anordnung dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht außerordentlich niedrige Streukapa­ zitäten, z.B. 10 fF, und ist daher für Lichtwellenleiter­ systeme hoher Übertragungsraten geeignet.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungs­ beispiel. Das Trägerelement 1 besteht dabei aus einkri­ stallinem Halbleitermaterial, z.B. Silizium (Si) oder Gallium-Arsenid (GaAs), und besitzt eine Dicke von unge­ fähr 0,5 mm. In die Oberfläche 10 wird mit Hilfe eines selektiven Ätzverfahrens eine v-förmige Vertiefung 2 geätzt, die mit einer abgeschrägten Fläche 4 abgeschlossen ist. Die Vertiefung 2 besitzt bei dem Halbleitermaterial Silizium einen Flankenwinkel von 70° (Fig. 4) eine bei­ spielhafte Breite von ungefähr 250 µm, eine Tiefe von ungefähr 150 µm und eine beispielhafte Länge von ungefähr 5 mm. Die Herstellung derartiger Vertiefungen in Halb­ leiterkristallen ist bekannt, z.B. aus der Druckschrift von D.B. Lee, Anisotropic Etching of Silicon, Applied Physics, 40, Seiten 4569 folgende (1969). In die Vertie­ fung 2 wird der Lichtwellenleiter 3 gelegt und befestigt, z.B. durch Kleben. Die Fläche 4 ist zur Erhöhung der Reflektivität verspiegelt, z.B. mit einer ungefähr 0,1 µm dicken Aluminiumschicht, und dient als Umlenkbauelement. Auf der Oberseite 19 des Trägerelements 1 ist der Fotode­ tektor 5 derart befestigt und kontaktiert, daß aus dem Lichtwellenleiter 3 austretendes und durch das Umlenkbau­ element 4 umgelenktes Licht im wesentlichen verlustfrei auf die lichtempfindliche Fläche des Fotodetektors 5 fällt. Die Oberfläche des Trägerelementes 1 enthält in monolithisches und/oder hybrider Form weitere elektrische Bauelemente 6, z.B. Vorverstärker und/oder Auswerteschal­ tung für das von dem Fotodetektor 5 erzeugte elektrische Ausgangssignal. Die Fig. 4 und 5 zeigen einen Quer- bzw. Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.

Wenn das aus dem Lichtwellenleiter 3 austretende Licht eine große Winkeldivergenz besitzt, läßt sich eine verlust­ arme Kopplung des aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts auf den Fotodetektor 5 durch eine dazwischen ange­ brachte Linse 7 (Fig. 1) erreichen. In Fig. 6 sind Ausfüh­ rungsbeispiele dargestellt, die eine vorteilhafterweise anzuwendende Kollimierung des Lichts ermöglichen sowie die entstehenden Strahlengänge.

Fig. 6a zeigt einen Lichtwellenleiter mit einer im wesent­ lichen planen Endfläche und einer daran angesetzten Stab­ linse. Hierbei kann anstelle der dargestellten sphärischen Linse z.B. eine sogenannte Gradientenstablinse verwendet werden.

Fig. 6b zeigt einen Lichtwellenleiter mit einer im wesent­ lichen planen Endfläche und einer dahinter angeordneten Kugellinse, die vorteilhafterweise entspiegelt ist für das zu kollimierende Licht.

Fig. 6c zeigt einen Lichtwellenleiter, dessen Ende rundge­ schmolzen ist, so daß eine abbildende Linse ensteht.

Fig. 6d zeigt einen Lichtwellenleiter, auf dessen im wesentlichen planer Endfläche eine Plankonvex-Linse aufge­ bracht ist, die z.B. aus einem durch UV-Licht härtbaren Kunststoff besteht.

Fig. 6e zeigt einen Lichtwellenleiter mit einem im wesent­ lichen planem Ende und einer dahinter angeordneten Halb­ kugel, deren plane Fläche gleichzeitig als Umlenkbauele­ ment ausgebildet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere an­ wendbar. Beispielsweise ist es möglich, als Umlenkbauele­ ment ein an den Lichtwellenleiter angesetztes Umlenkprisma zu verwenden. Weiterhin ist es möglich, den Fotodetektor als in das Halbleiter-Trägerelement integriertes Bauele­ ment auszubilden und die v-förmige Vertiefung zumindest teilweise mit einem lichtleitenden Material, z.B. trans­ parentem Kunststoff, auszufüllen. Es entsteht dann ein integrierter Lichtwellenleiter, welcher das Umlenkbauele­ ment bildet und an welchen der ankommende Lichtwellenlei­ ter 3 ankoppelbar ist.

Claims (9)

1. Opto-elektrische Koppelanordnung, bestehend aus einem Trägerelement (1),

• - auf dessen einer Oberfläche (10) mindestens ein Fotodetektor (5) vorhanden ist, dessen lichtemp­ findliche Fläche (11) der Oberfläche (10) zugewandt ist und im wesentlichen parallel zu dieser liegt,
• - auf dessen Oberfläche (10) mindestens ein elektri­ sches Bauelement (6) vorhanden ist, das mit dem Foto­ detektor (5) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Oberfläche (10) in dem Trägerelement (1) mindestens ein Licht­ wellenleiter (3) vorhanden ist, dessen optische Achse im wesentlichen parallel zu der Oberfläche (10) verläuft und derart auf den Durchbruch (9) gerichtet ist, daß aus dem Lichtwellen­ leiter (3) austretendes Licht über ein optisches Umlenk­ bauelement (4) auf die lichtempfindliche Fläche (11) fällt.

2. Opto-elektrische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Trägerelement (1) eine grabenförmige Vertiefung (2) mit einem Querschnitt vorhan­ den ist, der eine selbstjustierende Montage des Lichtwel­ lenleiters (3) ermöglicht.

3. Opto-elektrische Koppelanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkbauele­ ment (4) als spiegelnde oder totalreflektierende Fläche ausgebildet ist.

4. Opto-elektrische Koppelanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenk­ bauelement (4) aus einem Lichtwellenleiter mit einer zu dessen Längsachse geneigt angeschliffenen Fläche besteht.

5. Opto-elektrische Koppelanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (1) als Halbleiter ausgebildet ist, auf dessen Oberfläche mindestens ein elektrisches Bauelement (6) als integriertes oder hybrides Bauelement angebracht ist.

6. Opto-elektrische Koppelanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (1) als Halbleiter ausgebildet ist, in welches die grabenförmige Vertiefung (2) sowie das Umlenk­ bauelement (4) eingeätzt sind (Fig. 3).

7. Opto-elektrische Koppelanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem Fotodetektor (5) und dem Lichtwellenleiter (3) mindestens eine optische Linse (7) angebracht ist (Fig. 6).

8. Opto-elektrische Koppelanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (1) als Halbleiter ausgebildet ist und daß zumindest der Fotodetektor (5) in das Trägerelement (1) integriert ist.

9. Opto-elektrische Koppelanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest der Durchbruch (9) mit einem lichtleitenden Material derart gefüllt ist, daß ein lichtleitender Kanal entsteht, an welchen der Lichtwellenleiter (3) ankoppelbar ist.