DE3833096C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum optischen Koppeln von optischen und/oder optoelektronischen Bauelementen in Frei­ strahltechnik mit einer justierbar angebrachten Linse.

Bei Lichtwellenleiter-Sendebauelementen wie z.B. Lasermoduln oder IRED-Moduln und entsprechend auch bei Empfangsbauelementen wie z.B. Photodioden oder Monitordioden besteht das technische Problem, das optoelektronische Halbleiterbauelement bzw. den Halbleiterchip in Freistrahltechnik an einen Lichtwellenleiter in der gewünschten Weise optisch anzukoppeln.

Diesem Zweck dienen halbkugelförmige Abschlüsse des Lichtwel­ lenleiters und zum Teil auch Kugellinsen zwischen Dioden und Lichtwellenleiter. Kugellinsen sind allerdings aufwendig zu montieren und zu justieren.

Es ist bekannt, für derartige Zwecke einen besonders gestalteten Kugellinsenträger zu verwenden, der als Mikromechanik-Silizium­ teil mit Ätztechnik hergestellt wird (europäische Patentanmel­ dung Nr. 02 80 305).

Außerdem ist bekannt, bei einer optischen Verbindungsvorrichtung zum Koppeln eines optischen Faserbündels zur Vermeidung optischer Verluste und des sog. Nebensprechens eine Phasenhologrammplatte zu verwenden (DE-OS 27 15 311).

Es ist weiterhin bekannt, Infrarot-Fresnellinsen aus einem infrarotdurchlässigen Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, herzustellen (GB 21 81 567 A).

Es ist auch bekannt, Fresnel-Zonenplatten aus Silizium zu fertigen (EP 01 40 175 A2).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer optischen Koppelanordnung der eingangs genannten Art das aufwendige Mon­ tieren und Justieren, das bei der Verwendung einer Kugellinse als optisches Koppelelement auftritt, stark zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einer optischen Koppelanordnung in Freistrahltechnik erfindungsgemäß gelöst mit: einer Scheibe aus Halbleitermaterial, einem Trägersubstrat, das die Scheibe trägt, einer Linse, die in die Scheibe integriert und von der Oberfläche des Trägersubstrates beabstandet ist, und einem optoelektronischen Bauelement, das auf dem Trägersubstrat zwischen der Linse und der Oberfläche des Trägersubstrates angeordnet ist, wobei die Scheibe aus Halbleitermaterial vor dem endgültigen Befestigen auf der Oberfläche des Trägersubstrates zum Justieren der Linse in bezug auf das optoelektronische Bauelement frei bewegbar angeordnet ist.

Die Scheibe besteht dabei vorzugsweise aus Silizium. Das optische Bauelement ist z.B. ein Lichtwellenleiter und das opto­ elektronische Bauelement ein Sende- oder Empfangsbauelement.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen optischen Koppelanordnung wird anstel­ le einer Kugellinse mit getrenntem Träger eine planare Linse verwendet, die als Fresnellinse, Fresnelzonenplatte oder holo­ graphische Linse in Planartechnik vorzugsweise auf Silizium her­ gestellt wird. Silizium ist bei den Wellenlängen über etwa 1 µm durchsichtig bzw. schwach dämpfend. Als Zonenplatte oder holo­ graphische Linse wird vorteilhaft ein Amplitudenmuster mit un­ durchsichtigen Streifen, z.B. aus Metall, oder ein Phasenmuster, z.B. mit Siliziumstufen, angewandt. Vorder- und Rückseite der planaren Anordnung können vorteilhaft für die verwendete Wel­ lenlänge optisch vergütet werden.

Die abbildende Struktur wird z.B. durch vorherige Berechnung, Erstellung einer Maske und ein Submikron-Photolithographiever­ fahren bzw. Elektronenstrahlschreiben hergestellt oder als Hologramm.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Koppelan­ ordnung besteht insbesondere darin, daß man eine mit Mitteln der Submikron-Halbleitertechnologie herstellbare Anordnung bekommt, die bereits in planarer Chipform die gewünschten optischen Eigen­ schaften ergibt, in diesem Falle eines Kondensors, der die Lichtquelle möglichst effizient in das weiterleitende optische System abbildet. Soweit die Dicke des Siliziumträgers der Zonen­ platte stört, wird sie durch ein bekanntes Ätzverfahren auf eine nicht störende Restdicke reduziert.

Mit der erfindungsgemäßen optischen Koppelanordnung lassen sich sehr einfache Lichtwellenleiter-Bauelemente aufbauen, wie z.B. ein Lasermodul mit Lichtwellenleiter und Monitordiode. Diese erfindungsgemäßen Anordnungen sind auch in komplexen Moduln mit Freistrahltechnik einsetzbar.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen wird die Erfindung weiter erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung im Schnitt und

Fig. 2 eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung im Schnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte optoelektronische Koppelanordnung be­ steht im wesentlichen aus einer Halbleiterscheibe 2, vorzugsweise einer Siliziumscheibe, auf der die Linse 1 als planare Fresnel­ zonenplattenstruktur aufgebracht ist. Die Scheibe 2, die aufgrund der erfindungsgemäßen Linsenstrukturierung gegenüber bekannten Anordnungen gleichzeitig die Trägerfunktion für die Linse 1 über­ nimmt, ist in diesem Ausführungsbeispiel in ihrem Randbereich mit einer Metallisierung 6 versehen und über diese Metallisie­ rung 6 mit einem Trägerteil 4, das beispielsweise aus Keramik besteht, verbunden, das ein optoelektronisches Sende- oder Emp­ fangsbauelement 3 trägt. Das Trägerteil 4 ist auf einer Grund­ platte 5, die beispielsweise aus Metall besteht, befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist in die Scheibe 2 im Bereich der Strukturierung der Linse 1 von oben her eine Vertiefung einge­ ätzt, die zur Reduzierung der Restdicke der Scheibe 2 in ihrem optisch aktiven Bereich zur Verbesserung der Lichttransmission durch die Scheibe 2 auf das bzw. von dem optoelektronischen Bau­ element 3 dient.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Scheibe 2, die als Linse 1 eine Fresnelzonenplattenstruktur trägt, direkt auf dem beispielsweise als Keramikscheibe ausge­ bildeten Trägerteil 4 befestigt, das ein optoelektronisches Bauelement 3 trägt. Die gesamte Anordnung ist wiederum auf einer beispielsweise aus Metall bestehenden Grundplatte 5 befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Dickenreduzierung (Vertie­ fung) der Scheibe 2 von der Unterseite her vorgenommen worden.

In beiden Ausführungsbeispielen kann die Justierung der Anord­ nung durch Verschieben der Scheibe 2 auf dem Trägerteil 4 vor dem endgültigen Befestigen vorgenommen werden.

Claims (11)

1. Optische Koppelanordnung in Freistrahltechnik mit: einer Scheibe (2) aus Halbleitermaterial, einem Trägersubstrat (4), das die Scheibe (2) trägt, einer Linse (1), die in die Scheibe (2) integriert und von der Oberfläche des Trägersubstrates (4) beabstandet ist, und einem optoelektronischen Bauelement (3), das auf dem Trägersubstrat (4) zwischen der Linse (1) und der Oberfläche des Trägersubstrates (4) angeordnet ist, wobei die Scheibe (2) aus Halbleitermaterial vor dem endgültigen Befestigen auf der Oberfläche des Trägersubstrats (4) zum Justieren der Linse (1) in bezug auf das optoelektronische Bauelement (3) frei bewegbar angeordnet ist.

2. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (4) aus Keramik besteht.

3. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) als planare Fresnellinsen-, Fresnelzonenplatten- oder holographische Linsenstruktur auf der Scheibe (2) aus Halbleitermaterial auf- bzw. eingebracht ist.

4. Optische Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) aus Silizium besteht.

5. Optische Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) ein Amplitudenmuster in Form von auf die Scheibe (2) aufgebrachten undurchsichtigen Streifen aufweist.

6. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die undurchsichtigen Streifen aus Metall bestehen.

7. Optische Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) ein Phasenmuster in Form von in die Scheibe (2) eingebrachten Stufen aufweist.

8. Optische Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Scheibe (2) zumindest im Bereich der Struktur der Linse (1) auf eine die Lichttransmission nicht störende Restdicke reduziert ist.

9. Optische Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorder- und Rückseite der planaren Struktur der Linse (1) optisch vergütet sind.

10. Optische Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optoelektronische Bauelement (3) ein mit einem Lichtwellenleiter koppelbares Sende- oder Empfangsbauelement ist.

11. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das optoelektronische Sendebauelement eine Laserdiode und das optoelektronische Empfangsbauelement eine Monitordiode ist, und daß die Anordnung als Lasermodul verwendet wird.