DE4106721A1

DE4106721A1 - Anordnung zur ankopplung von lichtwellenleiterenden an empfangselemente

Info

Publication number: DE4106721A1
Application number: DE19914106721
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Kuke; Heiner Dipl Ing Hauer; Eberhard Dipl Ing Moess
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-03-02
Filing date: 1991-03-02
Publication date: 1992-09-10
Also published as: DE4106721C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung von Lichtwellenleiterenden an Empfangselemente, wobei die Lichtwellenleiterenden und optischen Empfangselemente auf Trägern fixiert sind, die Lichtwellenleiterenden in durch anisotropes Ätzen hergestellten V-Nuten angeordnet sind und die V-Nuten abgeschrägte verspiegelte Stirnflächen aufweisen und derart dimensioniert sind, daß die eingelegten Lichtwellenleiter nicht über die Trägeroberfläche hinausragen.

Aus der DE 39 14 835 C1 ist eine Anordnung zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters an ein optisches Sende- oder Empfangselement bekannt. Der Lichtwellenleiter und das optische Sende- oder Empfangselement sind dabei auf verschiedenen Trägern fixiert, die mit ihren Trägeroberflächen verschiebbar aufeinanderliegen. Das Lichtbündel gelangt durch zweimalige Spiegelung an je einer auf einem Träger befindlichen Spiegelebene vom Lichtwellenleiter zum optisch aktiven Element oder umgekehrt. Die Lichtwellenleiter sind in durch anisotropes Ätzen hergestellten V-Nuten derart fixiert, daß sie über die Trägeroberfläche nicht hinausragen. Die Spiegelebenen können beispielsweise durch Verspiegeln der Stirnflächen der anisotrop geätzten Nuten hergestellt werden. Eine senkrechte oder nahezu senkrechte Anordnung der Lichtstrahlrichtung zur lichtempfindlichen Fläche von Empfangselementen ist nur durch eine entsprechende Anordnung der Empfangselemente möglich, die meist sehr platzaufwendig ist.

Aus der DE 35 43 558 A1 ist eine opto-elektrische Koppelanordnung bekannt. Dabei sind Lichtwellenleiter und Fotodetektor über ein optisches Umlenkbauelement gekoppelt und an einem Trägerelement z. B. einem Siliziumsubstrat befestigt. Die Fixierung des Lichtwellenleiters in einer anisotrop geätzten V-Nut mit verspiegelter Stirnfläche ist möglich. Das Empfangselement wird dann auf der Substratoberfläche direkt über der verspiegelten Stirnfläche fixiert. Die V-Nuten sind derart dimensioniert, daß die eingelegten Lichtwellenleiter nicht über die Trägerelementoberfläche hinausragen. Das Empfangselement ist mit der lichtempfindlichen Fläche zum Trägerelement hin auf diesem montiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird angegeben, daß der Lichtwellenleiter sich auf der einen Seite und das Empfangselement auf der anderen Seite des Trägerelementes befindet. Zwischen der lichtempfindlichen Fläche des Trägerelementes und dem Spiegelelement befindet sich im Trägerelement ein Durchbruch. Dieser kann beispielsweise mit einem lichtleitenden Material gefüllt sein.

In der optischen Nachrichtentechnik sollen in Zukunft nicht nur Einzellichtwellenleiter sondern auch Lichtwellenleiterbündel verwendet werden. Der Einsatz von Bändchenkabeln hat sich dabei bewährt, da diese in einem Arbeitsgang abgemantelt und gespleißt werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung anzugeben, mit der die Ankopplung eines Lichtwellenleiterbändchenkabels an einen Empfängerbaustein auf einfache Weise und ohne großen Justieraufwand durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Empfangsdioden sind auf der Oberseite des Chips (Planardioden) oder auf der Unterseite des Chips (Durchstrahlungsdioden mit Mesa-Struktur) lichtempfindlich. Anders als bei Laserdioden muß hier die Ober- oder Unterseite des Chips senkrecht oder nahezu senkrecht zur Lichtstrahlrichtung angeordnet sein.

Aus der DE 39 08 927 A1 ist es bekannt, mehrere Lichtwellenleiter in zueinander parallelen anisotrop geätzten V-Nuten anzuordnen. Eine solche Anordnung ist für Lichtwellenleiter, die in einem Bändchenkabel zusammengefaßt sind, besonders geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 ein Schnitt in der Seitenanrichtung in Blickrichtung der Lichtwellenleiter,

Fig. 3 ein Schnitt in der Seitenansicht in Blickrichtung senkrecht zu den Lichtwellenleitern und

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem mittleren Bereich von Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Siliziumwafer 1 ((100)-orientiert) in den durch anisotropes Ätzen parallel zueinander verlaufende V- Nuten 2 eingebracht sind. Die V-Nuten 2 haben eine Breite d, die so gewählt ist, daß ein darin eingelegter Lichtwellenleiter 4 gerade mit seinem ganzen Durchmesser hineinpaßt, wobei der obere Rand des Lichtwellenleiters 4 mit der Oberfläche des Siliziumwafers 1 fluchtet. Für einen Lichtwellenleiter 4 mit einem Durchmesser von 125 µm muß aufgrund des kristallografisch festgelegten Böschungswinkels von 54,74° die V-Nut 2 eine Breite von 241,5 µm haben. Diese Nutenbreite d bestimmt das mit der erfindungsgemäßen Lösung minimal erreichbare Rastermaß für die Lichtwellenleiterbändchenkabel. Die durch anisotropes Ätzen hergestellten V-Nuten 2 weisen eine abgeschrägte Stirnfläche 3 auf, die mit einer Verspiegelung versehen ist. Zur Herstellung der Verspiegelungen aller V-Nuten in einem Arbeitsgang kann beispielsweise der geätzte Siliziumwafer ganz oder teilweise mit einer Metallisierungsschicht versehen werden. Das aus dem Lichtwellenleiter 4 austretende Lichtbündel wird an der Stirnfläche 3 der V-Nut 2 nach oben reflektiert, wobei der reflektierte Strahl um 19,5° gegen die Flächennormale des Siliziumwafers geneigt ist. Auf dem Siliziumwafer befindet sich ein lichtdurchlässiger Träger 5, der aus Glas oder ebenfalls aus Silizium (für Wellenlängen < 1,1 µm) besteht. Das Lichtbündel durchdringt diesen lichtdurchlässigen Träger 5. Falls als Material für den Träger Glas verwendet wird, so ist darauf zu achten, daß es im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Silizium des Siliziumwafers angepaßt ist. Eine Glasart, die diese Voraussetzung erfüllt ist beispielsweise Pyrexglas, das sich auch durch anodisches Bonden fest mit dem Silizium verbinden läßt. Im lichtdurchlässigen Träger 5 wird das Lichtbündel zum Einfallslot hin gebrochen. Bei Verwendung von Pyrexglas (Brechungsindex n=1,5) wird der Winkel des an der Stirnfläche 3 reflektierten Strahls von 19,5° auf 12,8° und bei Verwendung von Silizium (Brechungsindex n=3,5) auf 5,5° reduziert, so daß das Lichtbündel den lichtdurchlässigen Träger 5 nahezu senkrecht durchdringt. Der lichtdurchlässige Träger 5 kann beispielsweise als Gehäuseboden ausgebildet sein. Der lichtdurchlässige Träger 5 dient als Träger für Fotodioden 6, weitere erforderliche Bausteine, von denen in den Figuren ein Verstärkerbaustein 7 exemplarisch eingezeichnet wurde, sowie für die erforderliche Leiterbahn- und Kontaktierungsstruktur 8, die ebenfalls nicht vollständig, sondern nur beispielhaft dargestellt ist. Die Leiterbahnstruktur 8 kann durch bekannte Dick- oder Dünnschicht-Technologien aufgebracht werden. Die erfindungsgemäße Lösung bietet darüberhinaus die Möglichkeit auf einfache Weise hermetisch dichte Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse vorzusehen. Hierzu wird im Randbereich des Gehäuses eine Isolationsschicht 10, beispielsweise eine durch Dickschichttechnik hergestellte Glaskeramik aufgebracht, durch welche die Leiterbahnen 8 voneinander isoliert hindurchführen (s. Detailzeichnung Bild 4). Die Glaskeramik trägt auf ihrer Oberseite eine Metallisierungs- und Lotschicht 11, auf welcher ein ebenfalls metallisierter Rahmen 12 aufgelötet werden kann. Der Rahmen 12 wird über eine Metallisierungs- und Lotschicht 11 mit dem Deckel 13 hermetisch dicht verschlossen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß die bei verhältnismäßig hohen Temperaturen herzustellende Isolationsschicht 10 und Leiterbahnstruktur 8, wenn diese in Dickschichttechnik erzeugt werden soll, aufgebracht werden kann, bevor die temperaturempfindlichen Empfangselemente 6 und Bausteine 7 aufgebracht worden sind. Der lichtdurchlässige Träger 5 bleibt dabei für die nachfolgende Bestückung und Bondung flach, was die Bearbeitung erleichtert. Der abschließende hermetisch dichte Verschluß kann bei der wesentlich niedrigeren Löttemperatur für die Schichten 11 geschehen.

Als Fotodioden können sowohl Durchstrahlungsfotodioden wie eingezeichnet mit Kontaktierung von unten auf der Leiterbahnebene und von oben über Bonddrähte 9 eingesetzt werden, als auch Fotodioden, die von der Oberseite her bestrahlt werden, wie beispielsweise Planarfotodioden. Diese werden in Flip-Chip-Technik überkopf auf die Leiterbahnstruktur 8 aufgelötet oder elektrisch leitend geklebt, wobei beide Anschlüsse über die Leiterbahnstruktur 8 erfolgen. Eine Drahtbondung 9 ist in diesem Fall nicht erforderlich. Aus Fig. 1 ist deutlich ersichtlich, daß die Fotodiodensets zueinander versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise ist der Rasterabstand des Lichtwellenleiterbändchenkabels nicht von der Größe der Fotodioden abhängig. Eine besonders platzsparende Anordnung der Fotodioden wird ermöglicht. Ebenso gut können aber auch Fotodiodenzeilen auf einem gemeinsamen Chip verwendet werden, wenn ihr Rasterabstand mit dem Rastermaß des Lichtwellenleiterbändchenkabels übereinstimmt.

Claims

1. Anordnung zur Ankopplung von Lichtwellenleiterenden an Empfangselemente, wobei

a) mindestens ein Lichtwellenleiterende (4) auf einem ersten Träger (1) fixiert ist,
b) mindestens ein optisches Empfangselement (6) auf einem zweiten Träger (5) fixiert ist,
c) der erste Träger (1) mehrere parallele durch anisotropes Ätzen hergestellte V-Nuten (2) aufweist, die mit abgeschrägten verspiegelten Stirnflächen (3) abgeschlossen sind und derart dimensioniert sind, daß die eingelegten Lichtwellenleiterenden (4) nicht über die Oberfläche des ersten Trägers (1) hinausragen,
d) die Empfangselemente (6) mit der lichtempfindlichen Fläche zum zweiten Träger (5) hin auf diesen montiert sind,
e) der zweite Träger (5) für Licht der zu empfangenden Wellenlänge durchlässig ist,
f) der zweite Träger (5) mit der von den Empfangselementen (6) abgewandten Seite auf dem ersten Träger (1) montiert ist, derart, daß Licht aus einem der Lichtwellenleiterenden (4) an der Stirnfläche (3) der jeweiligen V-Nut (2) reflektiert durch den zweiten Träger (5) auf die lichtempfindliche Fläche des jeweiligen Empfangselementes (6) trifft.

2. Anordnung zur Ankopplung von Lichtwellenleiterenden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die V-Nuten (2) gegeneinander versetzt enden und die Empfangselemente (6) entsprechend angeordnet sind.

3. Anordnung zur Ankopplung von Lichtwellenleiterenden nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger (5) Teil eines Gehäuses ist.

4. Anordnung zur Ankopplung von Lichtwellenleiterenden nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des zweiten Trägers (5) neben den Empfangselementen (6) weitere erforderliche Bausteine (7) und/oder Leiterbahnen (8) aufgebracht sind.