DE3925189C1

DE3925189C1 - Optical transmission detector using optical fibre and PIN-diode - is mounted in V-shaped trench of crystalline silicon chip with vaporised counter-electrode and integrated receiving electronics

Info

Publication number: DE3925189C1
Application number: DE19893925189
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 8059 Langenpreising De Deimel; Thorsteinn Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Halldorsson; Bianca 8056 Grueneck De Heimhofer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-07-29
Filing date: 1989-07-29
Publication date: 1990-12-13
Anticipated expiration: 2009-07-30

Abstract

Initially, an optically transparent layer (12) about 0.2 micron thick made, e.g. of indium-tin oxide (ITO), is applied to the oblique cross-sectional surface (10a) of the conventional optical fibre (10), without plastics encapsulation. Subsequently, a layer of amorphous silicon or an alloy of amorphous silicon and germanium is applied to this oblique surface carrying the optically transparent layer (12). An aluminium electrode (15) is then applied to the resultant PIN-structure (14) and is overlapped with the fibre core. ADVANTAGE - Reduced optical reflection losses. Can be closely coupled to electronics but allows exchange of detector combination of different wavelength sensitivity.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor, bestehend aus einer Kombination aus optischem Faserelement und einer PIN-Diode für Glasfa serübertragungsleitungen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a detector consisting of a Combination of optical fiber element and a PIN diode for glass fa ser transmission lines according to the preamble of claim 1.

Durch die DE 36 05 019 A1 der Anmelderin ist eine integrierte Lumi neszenzdiode für Glasfaserübertragungsleitungen bekannt geworden, bei der das eingangsseitige Endstück einer Glasfaser zur Diodenbildung mit einer dünnen Schicht aus einem lichtemittierenden Halbleiter ummantelt ist, wobei der Halbleiter als PIN- oder als NIP-Diode ausgebildet ist. Diese Ausführungsform hat sich im allgemeinen bewährt, jedoch ist der erforderliche Bauteil-, Montage- und Justieraufwand noch relativ hoch.DE 36 05 019 A1 by the applicant is an integrated Lumi nescent diode for fiber optic transmission lines become known at with the input end of a glass fiber for diode formation encased in a thin layer of a light-emitting semiconductor is, wherein the semiconductor is designed as a PIN or as a NIP diode. This embodiment has proven itself in general, but is the required component, assembly and adjustment effort is still relatively high.

Durch die DE 36 05 019 A1 der Anmelderin ist ein fotoelektrischer Detektor für Glasfaserübertragungsleitungen bekannt geworden, bei dem das ausgangsseitige Ende der Glasfaser mit einer Schicht aus aus einem fotoempfindlichen amorphen Halbleiter ummantelt ist.DE 36 05 019 A1 by the applicant is a photoelectric Detector for fiber optic transmission lines has become known in which the output end of the glass fiber with a layer of one is coated in a photosensitive amorphous semiconductor.

Durch die US 40 79 404 ist es bekannt, optoelektronische und optische Elemente auf einer optischen Bank aus Halbleitermaterial anzubringen. Auch hier ist der Fertigungs-, Montage- und Justieraufwand noch zu hoch.From US 40 79 404 it is known optoelectronic and optical Attach elements on an optical bench made of semiconductor material. Here too, the manufacturing, assembly and adjustment work is still too high.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der frei von den Nachteilen des Standes der Technik ist und außerdem eine Auswechselbarkeit einer Glasfaserübertragungsleitung durch eine zweite mit einer Faser-Detek tor-Kombination anderer Wellenlängensensitivität erlaubt.The object of the present invention is a detector of the type mentioned at the outset, which is free from the disadvantages of State of the art is and also an interchangeability Glass fiber transmission line through a second with a fiber detector Tor combination of other wavelength sensitivity allowed.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbei spiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen: This object is achieved by the measures outlined in claim 1 solved. Refinements and developments are in the subclaims and in the description below is an embodiment game explained and sketched in the figures of the drawing. Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einseitig schräg angeschnit tenen Glasfaserstückes, vor der Bearbeitung, Fig. 1 is a perspective view of a one-sided slant angeschnit requested fiberglass piece prior to machining,

Fig. 2 eine Seitenansicht der aus dem Glasfaserstück hergestellten Faser-Detektor-Kombination in schematischer Darstellung, Fig. 2 is a side view of the fiber-detector combination made of the optical fiber piece in a schematic representation,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des die Faser-Detektor-Kombina tion aufnehmenden ersten Siliziumchips, Fig. 3 is a perspective view of the fiber-detector combina tion receiving first silicon die,

Fig. 3a eine perspektivische Seitenansicht des als Fixierung und Deckel dienenden zweiten Siliziumchips. Fig. 3a shows a perspective side view of the lid serves as a fixation and second silicon chips.

Das in den Figuren der Zeichnung skizzierte Ausführungsbeispiel einer Kombination aus Faser-PIN-Detektor und einer optischen Justierschiene in Form von Siliziumchips wird wie folgt gebildet:
Ein kurzes Stück von einigen Zentimeter Länge einer herkömmlichen opti schen Faser 10 ohne Plastikummantelung wird unter einem bestimmten Win kel α - beispielsweise etwa 55′ - an einem Ende 10a schräg angeschlif fen, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist. Bekanntlich setzt sich jede opti sche Faser 10 zur Lichtleitung aus einem sogenannten Vollkern 10′ und einer diesen umschließenden Randpartie 10′′ zusammen, die einen anderen Brechungsindex aufweist, als ihn der Vollkern 10′ besitzt.The exemplary embodiment outlined in the figures of the drawing of a combination of a fiber PIN detector and an optical adjustment rail in the form of silicon chips is formed as follows:
A short piece of a few centimeters in length of a conventional optical fiber 10 without plastic sheathing is α under a certain Win angle - for example about 55 '- beveled at one end 10 a, as shown in Fig. 1. As is known, each opti cal fiber 10 is composed of a so-called solid core 10 'and a peripheral part 10 ' surrounding it, which has a different refractive index than that of the solid core 10 '.

Auf diese schräge Querschnittsfläche wird nun zuerst eine etwa 0,2 µm dicke Lage einer optisch transparenten Schicht 12 - beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxyd (ITO) - aufgetragen und zwar so, daß ein Teil dieser Schicht auf den zylindrischen Teil der Faser hinausgeht und mit Gold be schichtet ist. Diese Goldschicht bildet die erste Elektrode.An approximately 0.2 μm thick layer of an optically transparent layer 12 , for example made of indium tin oxide (ITO), is first applied to this oblique cross-sectional area in such a way that part of this layer extends onto the cylindrical part of the fiber and is coated with gold. This gold layer forms the first electrode.

Auf diese mit der optisch transparenten Schicht 12 versehene schräge Fläche wird anschließend eine etwa 0,5 µm dicke Schicht aus amorphem Silizium oder einer Legierung aus amorphem Silizium und Germanium aufge bracht, wobei bei Beginn oder am Ende des Abscheidevorganges die Schich ten mit "Diboran" zur P-Dotierung oder "Phosphor" zur N-Dotierung ver setzt werden. Auf diese PIN-Struktur 14 wird eine Aluminium-Elektrode 15 mit dem Faserkern überlappt. Diese Struktur ist in der Fig. 2 schema tisch dargestellt. An approximately 0.5 μm thick layer of amorphous silicon or an alloy of amorphous silicon and germanium is then applied to this inclined surface provided with the optically transparent layer 12 , the layers being coated with “diborane” at the beginning or at the end of the deposition process. for P-doping or "phosphorus" for N-doping. An aluminum electrode 15 is overlapped with the fiber core on this PIN structure 14 . This structure is shown schematically in FIG. 2.

Diese vorgeschlagene Faser-Detektor-Kombination hat den Vorteil, daß die bei getrennter Anordnung - wie sie beim Stand der Technik vielfach anzu treffen ist - die auftretenden optischen Reflexionsverluste, die bei spielsweise bei Glas zu Luft 4% und bei Luft zu Detektor 30% betragen - hiermit auf etwa 8% beim vorgeschlagenen integrierten Faserdetektor reduziert werden. Darüber hinaus fällt eine zukünftige Nachjustierung zwischen Faser und Detektor weg.This proposed fiber-detector combination has the advantage that the with separate arrangement - as is often the case in the prior art is hit - the optical reflection losses that occur at for example, 4% for glass to air and 30% for air to detector - hereby to about 8% in the proposed integrated fiber detector be reduced. A future readjustment is also required between fiber and detector away.

In einem weiteren Prozeß wird in einen kristallinen Siliziumchip 17 eine V-förmige Grube 16 geätzt. Bei geeigneter Kristallorientierung entsteht eine Grube 16 mit einer Endfläche 16a, die ebenfalls unter einem Winkel von 55° zur Oberflächennormalen geneigt ist. In diese Grube werden - wie in Fig. 3 dargestellt - zwei Elektroden 18 und 19 aufgedampft. Dies ge schieht problemlos durch Verwendung entsprechender Masken, wobei hier keine hohen Genauigkeitsanforderungen vorliegen. Diese Elektroden sind in ihren Flächendimensionen so gehalten, daß sie als Kontakte auch für andere auswechselbare Faser-Detektor-Kombinationen verwendbar sind. Die Kontakte sind über Stege 18a, 19a mit der im Siliziumchip 17 integrier ten Empfängerelektronik 20 verbunden.In a further process, a V-shaped pit 16 is etched into a crystalline silicon chip 17 . With a suitable crystal orientation, a pit 16 is formed with an end surface 16 a, which is also inclined at an angle of 55 ° to the surface normal. As shown in FIG. 3, two electrodes 18 and 19 are evaporated into this pit. This happens easily by using appropriate masks, but there are no high accuracy requirements. The dimensions of these electrodes are such that they can also be used as contacts for other interchangeable fiber-detector combinations. The contacts are connected via webs 18 a, 19 a to the receiver electronics 20 integrated into the silicon chip 17 .

Das so als Faser-Detektor ausgebildete Glasfaserstück 10 wird mit seinem Ende 10b mit einer Glasfaser gleicher Bauart und numerischer Apertur verspleißt und das so erhaltene Faser-Detektor-Kabel in der V-förmigen Grube 16 zu den Kontakten bzw. Elektroden 13 zu 18 und 15 zu 19 hin ju stiert und mit dem als Deckel dienenden zweiten Siliziumchip 17a festge klemmt. Dieser zweite Siliziumchip 17a weist die gleiche V-förmige Grube 16 wie der als Justierschiene dienende erste Siliziumchip 17 auf und auch die gleiche schräge Endfläche 16a (Fig. 3a).The glass fiber piece 10 thus formed as a fiber detector is spliced at its end 10 b with a glass fiber of the same design and numerical aperture, and the fiber detector cable thus obtained in the V-shaped pit 16 to the contacts or electrodes 13 to 18 and 15 to 19 back ju stiert and clamped with the serving as a lid second silicon chip 17 a. This second silicon chip 17 a has the same V-shaped groove 16 as the first silicon chip 17 serving as an adjustment rail and also the same inclined end face 16 a ( FIG. 3a).

Durch diese vorgeschlagene Konzeption ist nun bei entsprechender Dimen sionierung der Kontakte 18, 19 - wie vorstehend schon erwähnt - die Mög lichkeit gegeben, die Faser-Detektor-Kombination mit dem Faserkabel aus zuwechseln und eine andere Kombination mit anderer Wellenlängensensiti vität zu ersetzen. Die Justierung von Faser und Detektor fällt auch hier weg und vermindert dadurch den mechanischen Aufbau sowie den Montageauf wand. Es können also mit einer Chipkonfiguration eine Mehrzahl von Fa ser-Detektor-Kombinationen verbunden werden.With this proposed concept, the dimensions of the contacts 18 , 19 - as already mentioned above - give the possibility to change the fiber-detector combination with the fiber cable and to replace another combination with a different wavelength sensitivity. The adjustment of fiber and detector is also omitted here, thereby reducing the mechanical structure and the assembly effort. A plurality of fiber-detector combinations can therefore be connected to one chip configuration.

Claims

1. Detector, consisting of a combination of optical fiber element and a PIN diode for glass fiber transmission lines, characterized in that an optically transparent layer ( 12 ) overlapping on an obliquely ground end surface ( 10 a) of a few centimeters long piece of glass fiber ( 10 ) applied to the cylindrical fiber body and coated as a sheath with a gold layer ( 13 ) (first electrode) that a PIN structure ( 14 ) is applied to the transparent surface of the layer ( 12 ) that overlaps the fiber core an aluminum layer ( 15 ) is evaporated as a second electrode and that the resulting fiber-detector combination in an etched, V-shaped pit ( 16 ) of a crystalline silicon chip ( 17 ) with evaporated counter electrodes ( 18 , 19 ) and integrated Receiving electronics ( 20 ) inserted, adjusted to the contacts and fixed with a second silicon chip ( 17 a).

2. Detector according to claim 1, characterized in that the single ge centimeter long piece of glass fiber ( 10 ) is ground at one end at an angle of ± 55 ° to the fiber axis.

3. Detector according to claim 1 or 2, characterized in that the optically transparent layer ( 12 ) consists of an alloy of indium tin oxide (ITO) and is applied in a thickness of about 0.2 µm.

4. Detector according to claims 1 to 3, characterized in that the PIN structure ( 14 ) from an approximately 0.5 micron thick (thick) layer of amorphous silicon or an alloy of amorphous silicon and germanium is formed with diborane (p-doping) or phosphorus (n-doping).

5. Detector according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the end face ( 16 a) of the V-shaped pit ( 16 ) is inclined at an angle of 55 ° to the surface normal.

6. Detector according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that in the side surfaces of the pit ( 16 ) and in the end face ( 16 a) the same one electrode ( 18 or 19 ) is evaporated.

7. Detector according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the electrodes ( 18 , 19 ) by means of vapor-deposited webs ( 18 a, 19 a) are connected directly to the receiver electronics ( 20 ) integrated in the silicon chip ( 17 ) .

8. Detector according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the short piece of fiber ( 10 ) with the PIN diode at its nem free fiber end ( 10 b) is spliced with a fiber of the same type and numerical aperture and in the silicon chip ( 17 ) is adjusted and fixed with a second silicon chip ( 17 a) serving as a cover.