DE3932652A1

DE3932652A1 - Optical coupler for planar, integrated optical fibre waveguides - uses waveguides with spatially allocated optical grids, with one used for optical wave lateral decoupling

Info

Publication number: DE3932652A1
Application number: DE19893932652
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dr Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1991-04-11

Abstract

The planar optical waveguides (W1,2) are integrated on different substrates (S1,2). The interconnectable waveguides have allocated spatial optical grids (G11,21;G12,22). One grid decouples the optical wave in a respective waveguide (W1) laterally from the same. The grid in the other waveguide (W2) is supplied with the decoupled wave. Pref. the interconnectable waveguides are mutually spaced in a micron order. Between the substrates may be fitted metal lugs (H). The decoupling grid is narrower than the associated coupling grid. USE/ADVANTAGE - For optical transmitter and receiver modules with narrow optical coupling and position tolerances.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 eine Anordnung zum optischen Aneinanderkoppeln von auf verschiedenen Substraten integrierten planaren optischen Wellenleitern.The invention relates to the preamble of the patent say 1 an arrangement for optical coupling of planar optical integrated on different substrates Waveguides.

Für den Aufbau von Einheiten mit integrierter Optik, wie z. B. einem Modul für Senden und Empfangen, tritt das Problem auf, Chips mit verschiedenen optischen oder optoelektronischen Funktionen optisch aneinanderzukoppeln. Besondere Bedeutung erhält dieses Problem, wenn man für die optische und elektri sche Verdrahtung - ähnlich wie bei Mikrowellenschaltungen - ein Substrat verwendet, das die elektrischen Leitungen und optischen Wellenleiter trägt, und auf dieses Substrat die Halbleiterchips für die optoelektronischen Wandler, wie bei spielsweise Laser und Detektoren, aufbringt (siehe dazu ältere Patentanmeldung P 38 33 311.2 (= GR 88 P 1700 DE).For building units with integrated optics, such as B. a module for sending and receiving, the problem occurs Chips with different optical or optoelectronic Optically couple functions. Special meaning gets this problem if you look for the optical and electrical wiring - similar to microwave circuits - used a substrate that the electrical leads and optical waveguide, and on this substrate the Semiconductor chips for the optoelectronic converters, as in for example lasers and detectors, (see older Patent application P 38 33 311.2 (= GR 88 P 1700 DE).

Die wesentlichen Anforderungen an diese optische Verbindung rühren von den Positioniertoleranzen der Montage her. Die heute beispielsweise bei einer Modulmontage mit freien opti schen Strahlen auftretenden Justiertoleranzen im Bereich von einem Zehntel Mikrometer erfordern Positionier- und Fixier zeiten in der Größenordnung von mehreren Minuten. Dies ist für eine Massenfertigung nicht tragbar. Hierfür sollen die Posi tionier- und Fixierzeiten im Bereich unter 1 Sekunde liegen und die erforderlichen Verfahren leicht mechanisierbar sein. Als Vorbild dient z. B. das übliche Wirebondverfahren.The essential requirements for this optical connection stem from the positioning tolerances of the assembly. The today, for example, when installing modules with free opti adjustment tolerances in the range of a tenth of a micron require positioning and fixing times on the order of several minutes. This is for mass production is not sustainable. The Posi tioning and fixing times are in the range of less than 1 second and the required procedures can be easily mechanized. Z serves as a role model. B. the usual wire bonding process.

Eine Fertigung von hybriden Einheiten der integrierten Optik gibt es heute noch nicht. Für die Herstellung kleiner Stück zahlen und meßtechnischen Aufgaben werden derzeit Stoß- und Prismenkopplungen verwendet. A production of hybrid units with integrated optics does not exist today. For making small pieces numbers and metrological tasks are currently shock and Prism couplings used.

Es ist bekannt, eine Kopplung zweier Wellenleiter durch direk tes Aufeinanderdrücken (siehe dazu Wave Electronics, Vol. 1, 1974/75, S. 191-199) oder durch Aufeinanderdrücken mit einem dazwischenliegenden optischen Gitter (siehe dazu Optical and Quantum Electronics, Vol. 7, 1975, S. 459-464) dargestellt werden können. Diese Verfahren erfordern eine eng tolerierte Positionierung in drei Dimensionen und im Winkel und schließen ein permanentes Anpressen ein.It is known to couple two waveguides directly pressing together (see Wave Electronics, Vol. 1, 1974/75, pp. 191-199) or by pressing them together with one optical grids in between (see Optical and Quantum Electronics, Vol. 7, 1975, pp. 459-464) can be. These procedures require a tight tolerance Positioning in three dimensions and at an angle and close a permanent pressure.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs ge nannten Art anzugeben, mit der eine enge optische Kopplung zwischen den Wellenleitern mit wenigen engen Positioniertole ranzen und damit eine relativ einfache Positionierung und Be festigung der Substrate ermöglicht ist.The object of the invention is an arrangement of the ge specified type with which a close optical coupling between the waveguides with a few narrow positioning toles satchel and thus a relatively simple positioning and loading consolidation of the substrates is made possible.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Pa tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out by the in the characterizing part of Pa Features specified 1 solved.

Die erfindungsgemäße Anordnung beruht auf dem Gedanken, für die Kopplung zwischen Wellenleitern auf verschiedenen Substraten die übereinanderliegenden zu koppelnden Wellenlei ter, insbesondere deren Endteile, mit einer Gitterstruktur zu versehen. Diese Gitterstruktur wird vorteilhafterweise so be messen, daß sie im Abstrahlwinkel und in der Phase eine freie optische Welle erzeugt, die zum Wellenleiter mit Gitter auf der empfangenden Seite paßt. Damit wird eine enge optische Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern erzielt.The arrangement according to the invention is based on the idea of the coupling between waveguides on different Substrates the superimposed waveguide to be coupled ter, in particular their end parts, with a lattice structure Mistake. This lattice structure is advantageously so measure that they have a free beam angle and phase optical wave generated that leads to the waveguide with grating fits the receiving side. This creates a close optical Coupling between the two waveguides achieved.

Der Abstand zwischen den Wellenleitern kann vorteilhafterweise im Bereich von 1 bis 10 µm liegen (Anspruch 2) und ist dann wenig eng toleriert. Auch längs der Wellenleiter sind keine engen Positioniertoleranzen erforderlich. Damit wird vorteil hafterweise eine relativ einfache Positionierung bzw. Befe stigung der bevorzugt aus Chips bestehenden Substrate möglich.The distance between the waveguides can advantageously are in the range of 1 to 10 µm (claim 2) and then tolerated little closely. There are also no along the waveguide tight positioning tolerances required. This will be an advantage fortunately a relatively simple positioning or command Stigung the preferably consisting of chips substrates possible.

Besonders geeignet für die Verbindung der Substrate sind me tallische Höcker (Anspruch 3), die ein Befestigen durch Löten oder Ultraschallschweißen erlauben. Diese Höcker können vor teilhafterweise auch als Streifen ausgebildet sein, die neben der Befestigung auch als thermische oder elektrische Verbin dung dienen.Me are particularly suitable for connecting the substrates tallische bumps (claim 3), which are attached by soldering or allow ultrasonic welding. These humps can before partially also be designed as a strip, which in addition to the attachment also as a thermal or electrical connection serve.

Zur Vereinfachung der Toleranzforderungen quer zu den Wellen leitern wird vorteilhafterweise das auskoppelnde Gitter schmaler als das zugeordnete einzukoppelnde Gitter gemacht (Anspruch 4). Dabei ist es zweckmäßig, den Wellenleiter mit Gitter auf der Senderseite im Verhältnis zum Wellenleiter auf der Empfängerseite schmal zu gestalten und den letztgenannten Wellenleiter in einem taperförmigen Übergang auf das ge wünschte Maß zu bringen.To simplify the tolerance requirements across the waves The decoupling grid will advantageously conduct made narrower than the assigned grid to be coupled (Claim 4). It is advisable to use the waveguide Grid on the transmitter side in relation to the waveguide to make the receiver side narrow and the latter Waveguide in a tapered transition to the ge wanted to bring measure.

Neben den bereits angesprochenen Vorteilen für die Montage hat die erfindungsgemäße Kopplung den Vorteil, daß mit ihr die Einheiten eines optischen Devices, wie z. B. eines DBR-Lasers, auf zwei oder mehr Chips aufgeteilt werden können. Dies ist z. B. für schmalbandige, abstimmbare Laser erforderlich, wobei das InP-Chip nur die Einheiten trägt, die unbedingt auf InP gemacht werden müssen, wie beispielsweise der verstärkende Wellenleiter, die übrigen flächenintensiven Einheiten, wie Reflektorgitter, Phasenschieber, Isolator, Monitordiode, Ver bindungswellenleiter zur Faserankopplung und Faserhalterung aber auf dem kostengünstigen Substrat untergebracht werden können.In addition to the advantages already mentioned for the assembly the coupling of the invention has the advantage that with it Units of an optical device, such as. B. a DBR laser, can be split into two or more chips. This is e.g. B. required for narrow-band, tunable lasers, wherein the InP chip only carries the units that are absolutely in InP must be made, such as the reinforcing one Waveguide, the other area-intensive units, such as Reflector grid, phase shifter, isolator, monitor diode, ver binding waveguide for fiber coupling and fiber mounting but can be accommodated on the inexpensive substrate can.

Die Erfindung wird anhand der Figuren in der nachfolgenden Beschreibung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated by the figures in the following Description explained in more detail by way of example. Show it:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines in der Mitte unterbrochenen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 1 is a side view of an embodiment of an inventive arrangement interrupted in the middle and

Fig. 2 eine Draufsicht auf dieses unterbrochene Ausführungs beispiel. Fig. 2 is a plan view of this interrupted execution example.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat S1 aus einem Chip aus InP mit einem nicht dargestellten DFB- Laser, dessen Ausgangsleistung in einem auf dem Substrat S1 integrierten planaren Wellenleiter W1 fortgeführt ist.In the exemplary embodiment shown, the substrate S 1 consists of an InP chip with a DFB laser (not shown), the output power of which is continued in a planar waveguide W 1 integrated on the substrate S 1 .

Das Substrat S2 besteht aus einem Chip aus Si, auf dem ein planarer Wellenleiter W2 integriert ist, in den die Ausgangs leistung eingekoppelt werden soll. Zur Kopplung weisen die beiden aneinanderzukoppelnden Wellenleiter W1 und W2, beispielsweise auf ihren einander zugekehrten Flachseiten F1 bzw. F2, einander zugeordnete optische Gitter G11 und G21 bzw. G12 und G22 auf.The substrate S 2 consists of a chip made of Si, on which a planar waveguide W 2 is integrated, into which the output power is to be coupled. For coupling, the two waveguides W 1 and W 2 to be coupled to one another, for example on their mutually facing flat sides F 1 and F 2 , have mutually associated optical gratings G 11 and G 21 or G 12 and G 22 .

Das Gitter G11 koppelt die im sendeseitigen Wellenleiter W1 zugeführte optische Welle aus der Flachseite F1 dieses Wellen leiters W1 aus. Im Strahlengang der ausgekoppelten optischen Welle ist das Gitter G21 des empfängerseitigen Wellenleiters W2 angeordnet. Dieses Gitter G21 koppelt die im zugeführte ausgekoppelte optische Welle in diesen Wellenleiter W2 über dessen Flachseite F2 ein.The grating G 11 couples the optical wave supplied in the transmission-side waveguide W 1 from the flat side F 1 of this waveguide W 1 . The grating G 21 of the receiver-side waveguide W 2 is arranged in the beam path of the decoupled optical wave. This grating G 21 couples the optical wave that is coupled out into this waveguide W 2 via its flat side F 2 .

Das Gitter G12 koppelt die im Wellenleiter W1 zugeführte optische Welle aus diesem Wellenleiter W1 über dessen Flach seite F1 aus. Die ausgekoppelte Welle wird dem Gitter G22 auf der Flachseite F2 des Wellenleiters W2 zugeführt. Dieses Gitter G22 koppelt die zugeführte optische Welle in den Wel lenleiter W2 über dessen Flachseite F2 ein. Der Abstand d zwischen den Wellenleitern W1 und W3 kann 1 bis 10 µm be tragen.The grating G 12 couples the optical wave supplied in the waveguide W 1 from this waveguide W 1 via its flat side F 1 . The decoupled wave is fed to the grating G 22 on the flat side F 2 of the waveguide W 2 . This grating G 22 couples the supplied optical wave into the wave guide W 2 via its flat side F 2 . The distance d between the waveguides W 1 and W 3 can be 1 to 10 microns be.

Die Pfeile in Fig. 1 deuten die Ausbreitungsrichtungen der optischen Wellen im Wellenleiter W1 zwischen den einander zugeordneten Gittern G11, G21 bzw. G12, G22 und im Wellen leiter W2 an.The arrows in FIG. 1 indicate the directions of propagation of the optical waves in the waveguide W 1 between the mutually assigned gratings G 11 , G 21 or G 12 , G 22 and in the waveguide W 2 .

Die beiden Substrate S1 und S2 sind durch metallische Höcker H, die auch als Streifen ausgebildet sein können, miteinander verlötet.The two substrates S 1 and S 2 are soldered to one another by metallic bumps H, which can also be designed as strips.

Die Breite b des senderseitigen Wellenleiters W1 und der Gitter G11 und G12 ist im Bereich der Kopplung kleiner gewählt als die Breite B des empfängerseitigen Wellenleiters der Gitter G21 und G22. Außerhalb des Bereichs der Kopplung wird der empfängerseitige Wellenleiter W2 durch taperförmige Übergänge tÜ1 und tÜ2 auf eine gewünschte Breite b1 gebracht.The width b of the transmitter-side waveguide W 1 and the gratings G 11 and G 12 is chosen to be smaller in the area of the coupling than the width B of the receiver-side waveguide of the gratings G 21 and G 22 . Outside the area of the coupling, the waveguide W 2 on the receiver side is brought to a desired width b 1 by taper-shaped transitions tÜ1 and tÜ2.

Claims

1. Arrangement for optically coupling one another on various substrates (S 1 , S 2 ) integrated planar optical wel lenleitern (W 1 , W 2 ), characterized in that the waveguide to be coupled (W 1 , W 2 ) spatially assigned optical Have gratings (G 11 , G 21 ; G 12 , G 22 ), one of which (G 11 ; G 12 ) couples an optical wave fed into the associated waveguide (W 1 ) laterally out of this waveguide (W 1 ) and the on the other ren waveguide (W 2 ) located associated grating ( 21 ; G 22 ) feeds, which couples the received wave laterally in this other waveguide (W 2 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that waveguides to be coupled together (W 1 , W 2 ) are arranged at a distance (d) in the order of a micrometer from each other.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, marked by connecting metallic bumps (H) between the substrates (S 1 , S 2 ).

4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling grid (G 11 , G 12 ) is narrower than the associated grid to be coupled (G 21 , G 22 ).