DE3833311A1 - Optoelektronische sende- und empfangsvorrichtung - Google Patents

Optoelektronische sende- und empfangsvorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Sende- und Emp­ fangsvorrichtung mit einem optischen Sender, einem optischen Emp­ fänger, einem wellenlängenselektiven Strahlteiler, einer Koppel­ optik mit Anschlußfaser und einer Steuereinrichtung, die eine Ansteuerschaltung für den optischen Sender und eine Vorverstär­ kerschaltung für den optischen Empfänger umfaßt.
Der Aufbau von Lichtwellenleiter-Bauelementen mit optischen und optoelektronischen Sende- und Empfangsfunktionen ist relativ auf­ wendig, weil die sehr unterschiedlichen Funktionen unterschied­ liche Materialien erfordern, die durch einen hybriden Aufbau zu­ sammengefügt werden. Dies gilt insbesondere für einen bidirek­ tionalen Sende- und Empfangsmodul, der das Schlüsselbauelement für einen Breitbandteilnehmeranschluß ist. Erst wenn ein solcher Wandler kostengünstig herstellbar ist, wird diese Technik den ge­ wünschten breiten Einsatz finden.
Es sind bereits Bestrebungen bekannt, derartige Sende- und Emp­ fangsvorrichtungen mit möglichst geringem Aufwand zu realisieren. Dabei wurde ein sogenannter Freistrahlmodul erarbeitet, der sich derzeit in der Entwicklung befindet. Neben dieser Lösung in einer Montagetechnik mit sehr vielen Teilen aus den unterschiedlichsten Materialien ist man auch bestrebt, diesem Problem mit Multichip­ lösungen mit optischen und optoelektronischen Chips aus III/V- Verbindungshalbleitern beizukommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer optoelektro­ nischen Sende- und Empfangsvorrichtung der eingangs genannten Art möglichst viele Einzelteile in einem Halbleiterbauelement zusammen­ zufassen bzw. zu integrieren, das in seiner Aufbautechnik wenig Auf­ wand erfordert, rationell herstellbar und damit kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der opti­ sche Sender als ein aus III/V-Verbindungshalbleitermaterial be­ stehender Laserchip in eine Siliziumscheibe eingesetzt ist, daß der optische Empfänger als ein aus III/V-Verbindungshalbleiter­ material bestehender Empfangsdiodenchip in die Siliziumscheibe eingesetzt oder als Metall-Halbleiter-Diode in die Siliziumschei­ be monolithisch integriert ist, und daß in die Siliziumscheibe der wellenlängenselektive Strahlteiler, die Steuereinrichtung, zur Lichtführung erforderliche Lichtwellenleiter und die Koppel­ optik monolithisch integriert sind. Als Metall-Halbleiter-Emp­ fangsdiode ist dabei insbesondere eine Platinsilicid-Schottky- Barrier-Diode in die Siliziumscheibe integriert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt mehrerer Einzelteile die optoelektronische Sende-/Empfangseinrichtung in weitgehend monolithischer Sili­ zium-Aufbautechnik hergestellt ist. Dabei wird davon Gebrauch gemacht, daß im betreffenden Wellenlängenbereich des ersten Durchlaßfensters (ca.1,3 µm) und des zweiten Durchlaßfensters (ca.1,5 µm) Silizium nahezu voll transparent ist. Diese Silizium- Aufbautechnik verwendet die Technologie der Silizium-Mikromecha­ nik und der IC-Technologie, um die erforderlichen mechanischen, optischen und elektronischen Funktionen soweit als möglich zu integrieren. Ausgenommen davon sind höchstens zwei Baueinheiten, die sich als Chips einsetzen lassen, nämlich der elektrooptische Wandler (Laser) und gegebenenfalls der optoelektronische Wandler (Empfangsdiode). Diese Chips können gegebenenfalls auch die be­ treffenden Verstärkerfunktionen beinhalten. Die ein-bzw. aufzu­ setzenden Chips bestehen dabei aus III/V-Halbleitergrundmaterial, vorzugsweise aus InP/InGaAsP.
Die übrigen Funktionen werden im Silizium beispielsweise wie folgt dargestellt:
  • - Licht leiten: Dielektrische Lichtleiter als Silizium-Stege oder als Streifenleiter mit optisch wirksam dotierten Schichten im Silizium bzw. in Silizium/Oxid/Oxinitrid-Schichten auf Silizium.
  • - Licht in die Faser einkoppeln: Kombination des Silizium-Licht­ leiters mit einer Vertiefung oder Nut zum Befestigen der Faser. Anwendung des Stoßkopplungsprinzips (Butt-Coupling). Alterna­ tiv kann die Koppeloptik eine in Art eines Faser-Spleißes aus­ geführte Schweißverbindung eines als Zunge ausgebildeten Endes des Lichtwellenleiters mit der Anschlußfaser sein.
  • - Licht bündeln: Linsen oder Fresneloptik, die mit den Mitteln der Silizium-Mikromechanik herstellbar ist.
  • - Strom leiten bzw. elektrisch isolieren: Leiterbahnen in oder auf Silizium und Isoliermaßnahmen wie in der IC-Technologie.
  • - Lichtleistung messen und wandeln: Die Empfangsdiode und/oder eine Monitordiode sind als Metall-Halbleiter-Dioden, insbeson­ dere als Platinsilicid-Schottky-Barrier-Dioden in die Silizium­ scheibe eingebracht. Alternativ verwendbar ist ein Bolometer, insbesondere in einer Brückenschaltung hergestellt mit diffun­ dierten Siliziumbereichen, Dioden oder Transistoren als Elemen­ tarsensoren, das auf die in Wärme umgesetzte Strahlung des Laser-Chips reagiert oder eine in Silizium integrierte Tempera­ turmessung des Laserchips.
  • - Licht filtern bzw. abschirmen: Metallische und dielektrische Schichten auf Silizium bzw. optische Gitter an der Oberfläche von Silizium. Die benötigte Weiche für die verschiedenen Wel­ lenlängen (WDM=Wavelength-Division-Multiplexing-Filter) kann als Richtkoppler mit Wellenleitern in Silizium oder als Ober­ flächengitter realisiert werden.
  • - Elektrische Signale verstärken: Transistoren in Metall-Halblei­ ter-PtSi-Technik wie bei Empfangsdioden oder übliche Integra­ tion von Breitbandverstärkern in Silizium.
Von besonderem Vorteil ist, daß die Teile im Nutzen (Scheibenver­ band) gefertigt werden können und auch im Nutzen vorgeprüft bzw. gealtert werden können. Nur voll funktionierende Teile werden durch Montage weiterverarbeitet. Nacharbeit soll damit vermieden werden.
Die komplette Anordnung wird beispielsweise auf einer Bodenplat­ te, die auch als Wärmesenke dient, aufgebaut. Diese Bodenplatte trägt als Abdeckung nach außen eine Kappe und eine Halterung für den Lichtwellenleiter.
Eine weiterhin vorgesehene Technik baut auf einem Leadframe-Strei­ fen auf, der als Bodenplatte und Wärmesenke dient und Faser- bzw. Steckerhaltung mit umfaßt. Diese Anordnung ist besonders kosten­ günstig gestaltbar, insbesondere auch für die Hochfrequenzanfor­ derungen, da sich die Datenraten eines Breitbandmoduls bis in den Bereich über 1 Gbit/sec erstrecken. Die Kapselung der Anord­ nung beim Leadframeaufbau kann in einer Art Metall-Keramik-Tech­ nologie, z.B. mit angeglaster oder geklebter Keramik- und Metall­ kappe oder durch eine Kunststoffumhüllung, die auch leicht in die Halterung der Faser einbezogen werden kann, ausgeführt werden. Bei einer Kunststoffumhüllung ist ein Silizium-Grundkörper und ein Deckel, vorzugsweise ebenfalls aus Silizium, vorgesehen. Als Montagetechnik für die Teile ist vornehmlich ein Zusammenfügen mit Prozessen des Die- und Wire-Bonds besonders zweckmäßig.
Von weiterem Vorteil ist, daß in Ergänzung zur heutigen Modul­ aufbautechnik die erfindungsgemäße Siliziumaufbautechnik die Mög­ lichkeit bietet, von Metall-Halbleiter-Transistoren und Metall- Halbleiter-Dioden Gebrauch zu machen.
Anhand eines in der Figur der Zeichnung rein schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung weiter erläu­ tert.
Die in der Figur dargestellte optoelektronische Sende- und Emp­ fangsvorrichtung besteht im wesentlichen aus dem Laserchip 1 als optischen Sender und dem Photodiodenchip 2 als optischen Empfän­ ger. Die Chips 1, 2 bestehen entweder beide oder nur der Laser­ chip 1 aus III/V-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise aus InP/InGaAsP und sind in eine Siliziumscheibe 3 eingesetzt und in dieser beispielsweise durch Kleben befestigt. Als monolithisch in die Siliziumscheibe 3 integrierbares Bauteil kann der opti­ sche Empfänger 2 auch als Metall-Halbleiter-Diode, insbesondere als Platinsilicid-Schottky-Barrier-Diode in die Scheibe 3 einge­ bracht sein. Zur Lichteinkopplung und Lichtauskopplung ist als Lichtwellenleiter eine Monomode-Anschlußfaser 9 vorgesehen. Zur Fixierung der Anschlußfaser 9 ist in der Siliziumscheibe 3 beispielsweise eine V-förmige Nut, die durch anisotropes Ätzen herstellbar ist, vorgesehen. Als Koppeloptik 8 zur Ankopplung der Anschlußfaser 9 an den in die Siliziumscheibe integrierten Lichtwellenleiter 7 dient beispielsweise ein "Butt-Coupler" oder eine Waveguide-Zunge, die mit der Faser 9 verschweißt sind. Andere geeignete Verbindungs- bzw. Befestigungsmethoden sind unter den Begriffen "Thermosonic"- oder "Nailhead"-Verbinden (Bonding) bekannt. Die anderen für die Vorrichtung notwendigen Bauteile sind in die Siliziumscheibe 3 monolithisch integriert. Als wellenlängenselektiver Strahlteiler 4 wird ein Richtkoppler oder ein anderer geeigneter Wellenlängen-Multiplexer/Demultiple­ xer verwendet. Sowohl die Ansteuerschaltung 5 für die Laserdiode 1 als auch die Verstärkerschaltung 6 für die Empfangsdiode 2 sind in den Siliziumkristall 3 monolithisch integriert. Der elektrische Signaleingang zur Ansteuerschaltung 5, die eine Reg­ ler- und eine Treiberstufe umfaßt, ist mit dem Bezugszeichen 10 und der elektrische Monitorausgang von der Monitordiode 13 mit dem Bezugszeichen 11 versehen. Der elektrische Ausgang der Vor­ verstärkerschaltung 6 der Empfängerdiode 2 hat das Bezugszeichen 12. Die optische Kopplung 14 der Lichtwellenleiter 7 mit dem Sender- bzw. dem Empfängerchip 1 bzw. 2 erfolgt beispielsweise über einen Multilayer Planar Waveguide Coupler, einen Tapered Coupler oder einen Grating Coupler.

Claims (13)

1. Optoelektronische Sende- und Empfangsvorrichtung mit einem optischen Sender, einem optischen Empfänger, einem wellenlän­ genselektiven Strahlteiler, einer Koppeloptik mit Anschlußfaser und einer Steuereinrichtung, die eine Ansteuerschaltung für den Sender und eine Vorverstärkerschaltung für den Empfänger umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der opti­ sche Sender (1) als ein aus III/V-Verbindungshalbleitermaterial bestehender Laserchip in eine Siliziumscheibe eingesetzt ist, daß der optische Empfänger (2) als ein aus III/V-Verbindungshalb­ leitermaterial bestehender Empfangsdiodenchip in die Silizium­ scheibe (3) eingesetzt oder als Metall-Halbleiter-Diode in die Siliziumscheibe (3) monolithisch integriert ist, und daß in die Siliziumscheibe (3) der wellenlängenselektive Strahlteiler (4), die Steuereinrichtung (5, 6), zur Lichtführung erforderliche Lichtleiter (7) und die Koppeloptik (8) monolithisch integriert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtwellenleiter (7) als Silizium- Stege oder als Streifenleiter mit optisch wirksam dotierten Schichten im Silizium bzw. Silizium/Oxid/Oxinitrid-Schichten auf Silizium gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Koppeloptik (8) die Kombina­ tion des Silizium-Lichtleiters (7) mit einer Vertiefung oder Nut in der Siliziumscheibe (3) zum Befestigen der Anschlußfaser (9) umfaßt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeloptik (8) das Stoß­ kopplungsprinzip (Butt-Coupling) verwendet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeloptik (8) eine in Art eines Faser-Spleißes ausgeführte Schweißverbindung eines als Zunge ausgebildeten Endes des Lichtwellenleiters (7) mit der Anschlußfaser (9) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wellenlängenselektive Strahlteiler (4) ein Richtkoppler oder ein Oberflächengitter ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen und Wandeln der Lichtleistung eine in die Steuereinrichtung (5, 6) integrierte Monitordiode (13) oder ein Bolometer verwendet wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen elektri­ schen Leiterbahnen in die Siliziumscheibe (3) in IC-Technologie integriert sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verstärken der elektri­ schen Signale Transistoren in Metall-Halbleiter-PtSi-Technik oder Breitbandverstärker in die Siliziumscheibe (3) monolithisch integriert sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das III/V-Verbindungshalblei­ termaterial InP/InGaAsP ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (5) in den Laserdiodenchip (1) und/oder die Vorverstärkerschaltung (6) in den Empfangsdiodenchip (2) integriert ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsdiode (2) und/ oder die Monitordiode (13) als in die Siliziumscheibe (3) mono­ lithisch integrierte Metall-Halbleiter-Dioden Platinsilicid- Schottky-Barrier-Dioden sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die komplette Anordnung zur Verwendung als optoelektronischer Sende- und Empfangsmodul auf eine Bodenplatte oder auf einen Leadframe aufgebracht und mit einer Kapselung sowie einem Lichtwellenleiteranschluß versehen ist.
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