DE3737251C2 - Halbleiter-Trägerelement für ein elektro-optisches Modul - Google Patents
Halbleiter-Trägerelement für ein elektro-optisches ModulInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Trägerelement aus
Halbleitermaterial für den Einbau in ein
elektro-optisches Modul.
Bei der Informationsübertragung über Lichtleitfasern
werden zunehmend Sende- und Empfangsmodule benutzt. Ein
Sendemodul enthält dabei:
- - ein aktives Element, z. B. einen Halbleiter (HL)-Laser,
- - alle zur Ansteuerung und Regelung des aktiven Elementes erforderlichen Bauelemente (Modulation, Rücklichtdiode) ,
- - eine Koppeleinrichtung, die dazu dient, die vom aktiven Element erzeugte Strahlung in eine Lichtleitfaser einzukoppeln,
- - je nach Aufbau ein Stück Lichtleitfaser, von dem ein Ende einer im Modulgehäuse angebrachten Steckvorrichtung zugeführt wird.
Im Empfängermodul sind enthalten:
- - ein aktives Element, die Photodiode,
- - eine Verstärkereinrichtung zur Verstärkung des Diodensignales,
- - eine Koppeleinrichtung zur Einkopplung des Lichtes von der Faser auf die Diode,
- - eventuell, wie bereits bei der Senderseite beschrieben, ein Stück Lichtleitfaser.
Sende- und Empfangsmodule werden in ein, oftmals auch
noch gasdichtes, Modulgehäuse eingebaut. An den
Übergangsstellen "lichtleitfaser-aktive Elemente" können
durch ungenaue Positionierung der Elemente relativ
zueinander erhebliche Verluste auftreten. Um diese
Verluste zu vermeiden, müssen die einzelnen Elemente
eines Moduls sorgfältig justiert werden. Sorgfältige
Justage ist zeitaufwendig und macht die automatische
Bestückung von Sende- oder Empfangsmodulen weitgehend
unmöglich. Schon seit geraumer Zeit suchte man daher
nach Möglichkeiten, den Justageaufwand bei der Fertigung
von elektro-optischen Modulen so gering wie möglich zu
halten.
Aus der DE-OS 23 31 497 ist eine Anordnung zum Einkoppeln von Laserstrahlen in
optische Fasern bekannt, bei der auf einem Substrat ein integrierter optischer Mikro
wellenleiter vorgesehen ist. Außerdem weist das Substrat eine auf den Mikrowellenlei
ter ausgerichtete, V-förmige Nut auf. Diese ist durch Ätzen so hergestellt, daß eine
darin fixierte Glasfaser eine Lage einnimmt, in der ihr Kern annähernd koaxial mit der
Achse des integrierten Mikrowellenleiters fluchtet und ein am anderen Ende z. B. über
ein Gitter in den Mikrowellenleiter eingekoppeltes Laserlicht unmittelbar in den Kern
der Glasfaser überkoppelt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Ende des Mikrowellenleiters und dem
Faserende eine in das Substrat integrierte Dünnfilmlinse vorgesehen, die das gesam
melte Laserlicht auf den Faserkern fokussiert.
Eine opto-elektrische Koppelanordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenen Merkmalen ist aus der DE-OS 35 43 558 bekannt, die einen verein
fachten, mit
wenigen Justageschritten auskommenden Aufbau von
elektro-optischen Modulen ermöglicht. Diese
Koppeleinrichtung besteht aus einem einkristallinen
Trägerelement aus Halbleitermaterial, z. B. Silizium oder
Gallium-Arsenid. In das Trägerelement ist parallel zu
einer Oberfläche eine V-förmige Nut eingeätzt, die zur
Aufnahme und Positionierung einer Lichtleitfaser dient.
Am Ende der V-förmigen Nut ist eine angeschrägte Fläche
vorgesehen, die das aus der Lichtleitfaser stammende
Licht zu einer Photodiode umlenkt. Anstelle der
angeschrägten Fläche kann auch eine Linse benutzt
werden, die dann in die Nut eingeklebt werden muß. Bei
Verwendung einer Linse lassen sich die Koppelverluste
unter das durch die angeschrägte Fläche erzielbare Maß
senken. Nach der Bestückung des Trägerelementes mit
weiteren Bauteilen wird das gesamte Trägerelement in ein
Modulgehäuse eingesetzt.
Nachteilig an der bekannten Koppelanordnung ist jedoch
der immer noch erforderliche Justageaufwand für die
Umlenklinse.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Trägerelement in
der Weise aufzubauen, daß auch der für eine Umlenklinse
erforderliche Justageaufwand entfällt. Gelöst wird diese
Aufgabe durch ein Trägerelement mit der
Merkmalskombination des Hauptanspruches. In den
Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des Trägerelementes aufgeführt.
Das Trägerelement gemäß der Erfindung hat den Vorteil,
daß es aus einem einzigen Siliziumstück hergestellt
werden kann, wodurch dann alle Einzelkomponenten starr
auf einer Linie und relativ zueinander fixiert sind.
Dadurch entfällt die Einzeljustage der verschiedenen
Komponenten. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß
derartige Module automatisch bestückt werden können, was
im Hinblick auf niedrige Kosten und die Herstellung
großer Stückzahlen besonders wichtig ist. Aus der
Verwendung von Silizium als Trägermaterial ergeben sich
noch als weitere Vorteile:
- - Silizium läßt sich einfach und präzise durch bekannte Ätzen bearbeiten.
- - Das Material ist preisgünstig.
- - Silizium hat als Halbleiter ähnliche Ausdehnungskoeffizienten wie die übrigen Halbleiterkomponenten (Laser, Detektor, usw.).
- - Silizium hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, d. h. ein Peltierkühler kann weiterhin, falls nötig, eingesetzt werden.
- - Silizium ist im interessanten Spektralbereich zwischen 1,3 Mikrometer und 1,6 Mikrometer Wellenlänge transparent, was den vorteilhaften Linseneffekt erst ermöglicht.
- - Integration der Transistoren zur Ansteuerung des Lasers oder zur Verstärkung des Empfangssignals der Diode sowie Integration einer Rücklichtdiode sind bei geeignet gewähltem HL-Material direkt auf dem Trägerelement möglich, was besonders für die Hochfrequenzeigenschaften der Moduls wichtig ist.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den
Figuren dargestellt und werden in der folgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten
Ausführungsbeispieles,
Fig. 2a Draufsicht, Seitenansicht und Schnittbild
bis 2c des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Skizze mit den für das dritte
Ausführungsbeispiel wesentlichen Elementen.
Das in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Trägerelement
ist in drei Teilbereiche eingeteilt, die mit 10, 11 und
12 bezeichnet sind. In den Teilbereich 10 ist eine Nut
13 eingeätzt, die eine mit 14 bezeichnete Glasfaser
aufnimmt. Im Teilbereich 12 befinden sich eine Nut 15,
die zur Aufnahme eines elektro-optischen Bauelementes
dient. Im Ausführungsbeispiel ist in die Nut ein mit 16
bezeichneter Halbleiterlaser eingesetzt. Hinter dem
Halbleiterlaser befindet sich in einer Nut 17 eine
Rücklichtdiode 18, wie sie üblicherweise zur Steuerung
der Laserausgangsleistung benutzt wird. Anstelle eines
HL-Lasers kann es sich bei den mit 16 bezeichneten
Bauelementen allgemein auch um einen opto-elektronischen
Chip handeln. Im Fall eines Sendemoduls kann der Chip in
integrierter Bauweise enthalten:
- - einen HL-Laser mit Rücklichtdiode oder
- - einen HL-Laser mit Ansteuerschaltung oder
- - einen HL-Laser mit Rücklichtdiode und Ansteuerschaltung.
Im Fall eines Empfangsmoduls enthält der Chip eine
Photodiode und eine Verstärkerschaltung.
Grundsätzlich lassen sich, da das Trägerelement aus
Silizium besteht, elektronische Bauelemente in das
Trägerelement hineinintegrieren. Im Ausführungsbeispiel
sind Bereiche 19/1 bis 19/3 vorgesehen, die auf
integrierte Bauelemente hinweisen sollen.
Der mit 11 bezeichnete Teilbereich des Trägerelementes
enthält eine mit 20 bezeichnete Linse, hier kugelförmig
gezeichnet, die jedoch im allgemeinsten Fall auch aus
zwei sphärischen Flächen bestehen kann. Diese Linse 20
wird bei der Bearbeitung des Trägerelementes aus dem
Siliziumblock herausgearbeitet, beispielsweise durch
Ätzen. Ihre Lage relativ zur Glasfaser 14 und zum
elektro-optischen Bauelement 16 ist damit fixiert. Damit
entfällt jede Justierung.
Die Oberfläche des mit 10 gekennzeichneten Teilbereiches
kann mit einer Metallschicht, beispielsweise mit einer
dünnen Goldschicht bedampft sein. In diesem Fall wird
die Glasfaser 14 in die V-förmige Nut 13 eingelötet. Ist
die Oberfläche nicht bedampft, wird die Glasfaser 14 in
die Nut 13 eingeklebt. An dem der Linse 20 zugewandten
Ende der V-förmigen Nut befindet sich ein hier nicht
näher gekennzeichneter Anschlag, der zur Arretierung und
schnellen Positionierung der Glasfaser 14 dient.
Die Glasfaser 14 kann an ihrem der Linse 20 zugewandten
Ende linsenförmig ausgeformt sein, so daß sich eine sehr
effiziente Lichteinkopplung von Glasfaser auf Linse und
von Linse auf das elektro-optische Bauelement ergibt.
Mit der dargestellten Anordnung läßt sich eine sehr
genaue Ausrichtung der Glasfaser auf die aktive Zone des
elektro-optischen Bauelementes erzielen.
Werden anstelle des HL-Lasers 16 Laser-Arrays verwendet,
ist Multiplexbetrieb möglich. In diesem Fall werden
unterschiedliche Wellenlängen mit unterschiedlicher
Information moduliert.
Die Fig. 2a bis 2c dienen der Verdeutlichung der
Anordnung nach Fig. 1. Gleiche Bezugszeichen beziehen
sich auf gleiche Elemente. Bisher wurde überwiegend ein
Sendemodul beschrieben. Wird jedoch anstelle des Lasers
16 in die Nut 15, die gegebenenfalls etwas anders
geformt sein kann, ein Detektor eingesetzt, so kann das
Trägerelement auch für Empfangsmodule eingesetzt werden.
Wird dann, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt,
anstelle einer Linse eine Anordnung bestehend aus zwei
Linsen 31 und 32 und einem zwischen den Linsen liegenden
optischen Gitter oder einem Prisma 33 benutzt, so kann
zusätzlich noch ein Demultiplexer eines
Wellenlängenmultiplexsystemes mit integriert werden. Ein
solcher Demultiplexer ist in Fig. 3 mit dem
Bezugszeichen 34 versehen. Auch das Trägerelement nach
Fig. 3 kann selbstverständlich elektronische Bauelemente
in integrierter Form mit enthalten. Auf ihre gesonderte
Darstellung wurde verzichtet.
Das beschriebene Trägerelement wird vor dem Einbau in
einen Sende- bzw. Empfangsmodul mit allen notwendigen
Bauelementen bestückt. Dazu gehören die Glasfaser 14,
das opto-elektronische Bauelement 16 (Laser,
Empfangsdiode, Rücklichtdiode) und die zur Ansteuerung
der opto-elektronischen Elemente notwendigen
Schaltungen, sofern diese nicht in das Trägerelement mit
integriert sind. Nach der Bestückung, die sich
weitgehend automatisch durchführen läßt, wird das
Trägerelement in den Sende- bzw. Empfangsmodul
eingesetzt. Da die Justierung einzelner Bauelemente
entfällt, lassen sich solche Sende- bzw. Empfangsmodule
schneller und preiswerter fertigen. Dies ist besonders
im Hinblick auf große Stückzahlen wichtig.
Claims (15)
1. Trägerelement aus Halbleitermaterial für den Einbau in ein
elektro-optisches Modul, das mit opto-elektronischen Bauelementen,
einem oder mehreren elektronischen Bauelementen sowie einer
Glasfaser zur Zuführung oder Wegleitung von moduliertem Licht von
nur einer Seite her bestückt wird, wobei in die zu bestückende
Oberfläche eines Teilbereichs des Trägerelementes eine V-förmige Nut
für die Aufnahme der Glasfaser geätzt und ein auf die Glasfaser
ausgerichtetes optisches Bauelement vorhanden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem
Teilbereich (10) für die Glasfaser (14) entgegengesetzten
Teilbereich (12) das Trägerelement wenigstens eine weitere Nut (15)
für die Aufnahme eines opto-elektronischen Bauelements (16, 34)
aufweist, und in einem zwischen diesen Teilbereichen (10, 12)
befindlichen Teilbereich (11) das optische Bauelement (z. B. 20, 33)
so aus dem Trägermaterial herausgearbeitet ist, daß seine Lage
relativ zur Glasfaser (14) und zum opto-elektronischen Bauelement
(16, 34) justierfrei fixiert ist.
2. Trägerelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere V-förmige Nuten zur Aufnahme
von Glasfasern vorgesehen sind.
3. Trägerelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als optisches Bauelement wenigstens
zwei sphärische Flächen (Linse) aus der Oberfläche des
Trägerelementes herausgearbeitet sind.
4. Trägerelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als optisches Bauelement ein
optisches Gitter aus der Oberfläche herausgearbeitet ist.
5. Trägerelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen zwei aus seiner Oberfläche
herausgearbeitete Linsen zusätzlich ein optisches Gitter
geätzt ist.
6. Trägerelement nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens ein
elektronisches Bauelement in integrierter Bauweise
enthält.
7. Trägerelement nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei dem elektronischen
Bauelement um einen Transistor handelt.
8. Trägerelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die V-förmige Nut mit einer
Abschrägung von etwa 45° abschließt.
9. Trägerelement nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 8, gekennzeichnet durch seine Bedampfung mit einer
Metallschicht.
10. Trägerelement nach den Ansprüchen 1 bis 9,
gekennzeichnet durch seine Bestückung mit einem oder
mehreren opto-elektronischen Chips.
11. Trägerelement nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der opto-elektronische Chip besteht
aus
- - einem Halbleiter-(HL)Laser oder
- - einem HL-Laser und Rücklichtdiode oder
- - einem HL-Laser und Ansteuerschaltung oder
- - einem HL-Laser, Rücklichtdiode und Ansteuerschaltung.
12. Trägerelement nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der opto-elektronische Chip besteht
aus
- - einer Photodiode
- - einer Photodiode mit Verstärkerschaltung.
13. Trägerelement nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Ansteuereinrichtung zur
Ansteuerung des opto-elektronischen Chips in
integrierter Bauweise auf dem Trägerelement vorgesehen
ist.
14. Trägerelement nach den Ansprüchen 10 und 12 dadurch
gekennzeichnet, daß eine dem Chip nachgeschaltete
Verstärkerschaltung in integrierter Bauweise auf dem
Trägerelement vorgesehen ist.
15. Trägerelement nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß Glasfasern in die V-förmigen Nuten
eingeklebt oder eingelötet werden.
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Family
ID=6339672
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