DE4142850A1

DE4142850A1 - Lichtleiterverbindung zum verkoppeln eines wellenleiters und einer faser

Info

Publication number: DE4142850A1
Application number: DE19914142850
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Ing Heidrich; Carl Dr Rer Nat Weinert; Michael Dipl Ing Hamacher; Li Prof Dipl Ing Kecheng
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Current assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1993-06-24
Also published as: WO1993013439A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildete Lichtleiterverbindung zum Verkoppeln eines integriert optischen Wellenleiters mit einer in einer Ätzgrube im Substrat eingebetteten optischen Faser.

Derartige monolithisch integrierte Lichtleiterverbindungen werden beim Einsatz von Bauelementen, Chips und Komponenten der Integrierten Optik z. B. in nachrichtentechnischen oder in künftigen optischen Rechner-Systemen, auf dem Gebiet der Sensorik und dergleichen an der Schnittstelle zur Faseroptik benötigt.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist aus "Optics Letters" Bd. 9, Nr. 10, Oktober 1984, Seiten 463 bis 465 bekannt. Die dort gewählte Anordnung für die Verbindung eines Wellenleiters und einer Faser, die beide im selben Kanal eines LiNbO₃-Substrats versenkt bzw. einge bettet sind, diente hauptsächlich für erste Untersuchungen der auftretenden Koppelmechanismen. Die dafür angewendeten Maßnahmen zur Vorbereitung des Kanalgrabens (Ionenstrahl-Ät zen) und der Faser (chemisches Abätzen bis auf den Kernbe reich und Polieren) dürften wohl für die Herstellung in großen Stückzahlen und den Einsatz unter harten Betriebbe dingungen zu aufwendig und zu störanfällig sein.

Eine andere, ökonomischere und robustere Art für Lichtlei terverbindungen stellen hybride Aufbauten dar (vgl. z. B. "TEEE Journal of Quantum Electronics Bd. Q-E 22 Nr. 6, Juni 1986, Seiten 928 bis 932; "Journal of Optical Communica tions" Bd. 2 Nr. 4 (1981), Seiten 122 bis 127; "Journal of Optical Communications" Bd. 10 Nr. 2 (1989), Seiten 54/55. Dort werden die Fasern in V-Gruben von Si-Chips befestigt und diese sodann auf einem Substrat mit integriert optischen Wellenleitern angebracht. Problematisch sind dabei die un terschiedlichen thermischen Eigenschaften in ihren Auswir kungen auf die Justierung.

Für die eingangs erwähnten Einsatzgebiete der Integrierten Optik bestimmt der weiter zunehmende Integrationsgrad die Entwicklungen. Diese zielen auf monolithische Mikrosysteme ab, die neben passiven Wellenleiterstrukturen und opto-elek tronischen Bauelementen auch aktive optische Komponenten sowie rein elektrische bzw. elektronische Bauelemente und Schaltungen aufweisen können und mit mindestens einer opti schen Ein- und/oder Auskoppelstelle versehen sind. An derar tigen Mikrosystemen sind somit die Gebiete der Integrierten Optik, der Mikroelektronik, der Mikromechanik und auch der Mikrooptik sowie der Faseroptik beteiligt.

Aus "Electronics Letters" Bd. 27 Nr. 20 (26. Sept. 1991), Seiten 1836 bis 1838 sowie aus "Optics Letters" Bd. 16 Nr. 5 (1. März 1991), Seiten 306 bis 308 sind bereits monolithisch integrierte Wellenleiter-Taper bekannt für unkritischere Ju stiertoleranzen bei einer Verkopplung eines Wellenleiters mit einer Faser. Dazu kann ein vergrabener Wellenleiter-Ta per vorgesehen werden (vgl. a. a. O. "El. Lett.") , nach dessen Strukturierung sowie eventueller weiterer integrierter Kom ponenten das Schichtenwachstum fortgesetzt werden muß. Wer den zwei dicht benachbarte vertikale Schichten als Wellen leiter-Kerne auf dem Substrat ausgebildet (vgl. a. a. O. "Optics Lett."), bewirkt eine als lateraler Taper, also in unterschiedlicher Breite ausgebildete Rippe auf einer Schicht aus mehreren Lagen eine vertikale Führung der opti schen Welle im wesentlichen im Bereich der breit ausgebilde ten Rippe bzw. im tieferen Wellenleiterkern bei schmaler Rippe. Auf welche Art und Weise hierbei eine mechanisch stabile, leicht justierbare Lichtleiterverbindung (Faser/ Wellenleitertaper) konstruktiv zu realisieren ist, wird in diesem Zusammenhang nicht erwähnt.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, für in tegriert optische Systeme die Maßnahmen zur Konfektionierung mit mindestens einer optischen Ein- und/oder Auskoppelein richtung bereits weitestgehend im Maskensatz für die Ausbil dung von Strukturen auf dem Substrat zu berücksichtigen und dabei die bestehenden Freiheiten für andere Strukturen nicht zu beschränken sowie mit möglichst geringem Aufwand die Endfläche der Faser vorbereiten und die Einbettung der Faser vornehmen zu können. Die fertige Lichtleiterverbindung soll möglichst geringe Koppelverluste aufweisen, zuverlässig, stabil und gegen äußere Störeinflüsse unempfindlich sein und sich für den Einsatz bei Bauelementen, Komponenten, Chips und monolithischen Mikrosystemen eignen.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht bei einer Lichtleiterver bindung der eingangs genannten Art vor, daß das Substrat aus einem III-V-Halbleitermaterial besteht und der integriert optische Wellenleiter als Oberflächen-Streifenwellenleiter ausgebildet und mit einer durch Mikroabspaltung erzeugten Endfläche versehen ist.

III-V-Verbindungshalbleitermaterial ermöglicht für die dämp fungsarmen Wellenlängenbereiche faseroptischer Übertragungs systeme den Aufbau rein elektrischer, rein optischer und opto-elektronischer in Planartechnologie herzustellender Bauteile und ist gut spaltbar; die Spalt-Endflächen haben optische Qualität. Ein Oberflächen-Streifenwellenleiter hat gegenüber vergrabenen oder versenkten Strukturen den Vor teil, daß mit seiner Ausbildung das Schichtenwachstum zumin dest im wesentlichen beendet ist.

Für die Erzeugung der Wellenleiter-Endfläche durch Mikroab spaltung ist allerdings während des Schichtenwachstums unterhalb des Wellenleiters durch Ausbildung einer spe ziellen Ätzschicht dafür zu sorgen, daß sich eine Lasche am Ende des Wellenleiters von der Ätzgrube aus freilegen läßt. Nähere Ausführungen hierzu folgen im Zusammenhang mit der Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungs formen der Erfindung.

Die technische Lehre gemäß der Erfindung bietet besonders vorteilhafte Möglichkeiten, die optische Faser zugfest in der Ätzgrube einzubetten. Ein Kleber oder ein Lotmittel kön nen vor der Justierung ohne Schwierigkeit aufgebracht werden und füllen die Fugen zwischen dem Mantel der Faser und den Flankenflächen der Ätzgrube über eine Länge von einigen mm aus und lassen sich nach der Justierung in kurzer Zeit ver festigen.

Weiterhin wird eine Ätzgrube vorteilhaft v-förmig ausge bildet. Die V-Form gewährleistet zumindest eine Grobjustie rung und ergibt sich bei einem Naßätzprozeß in III-V-Halb leitermaterial bei entsprechender Ausrichtung bezüglich der Kristallrichtungen und -ebenen von selbst.

Bei monolithischen Lichtleiterverbindungen gemäß der Erfin dung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen ist zwischen zwei Aufbautypen zu unterscheiden. Der eine Typ ist so aus gebildet, daß die optische Faser mit einem Taper versehen ist, beim anderen Typ ist der Wellenleiter im näheren Bereich seiner Endfläche als asymmetrischer Wellenleiter-Ta per ausgebildet. Die Vorteile eines Wellenleiter-Tapers, wie diese auch den weiter vorstehend bei der Würdigung des Stan des der Technik erwähnten Veröffentlichungen insbesondere bezüglich der Justiertoleranzen entnommen werden können, kommen damit auch bei diesem Typ der Ausführungsformen der Erfindung voll zur Geltung.

In bevorzugter Weise kann dabei unterhalb des Wellenleiters mit seinem Taper das Substrat mindestens eine optische Leit schicht in Höhe der Achse der optischen Faser aufweisen. We gen der weniger strengen Justiertoleranzen bei einer Ver kopplung einer Faser mit einem Wellenleiter-Taper ist die Lage der optischen Leitschicht bzw. Leitschichten nicht be sonders kritisch.

Als besonders wirkungsvoll hat sich herausgestellt, den Wel lenleiter-Taper in seiner Längsrichtung mit unterschiedli cher, an der Endfläche geringster Rampenneigung auszubilden. Auch hierzu finden sich nähere Erläuterungen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 4 bis 6.

In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsformen der Er findung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine monolithisch integrierte Lichtleiterverbindung Chip/Faser mit Taper;

Fig. 2 eine monolithisch integrierte Lichtleiterverbindung Chip mit Wellenleiter-Taper/Faser;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Wellenleiter-Taper gemäß Fig. 2;

Fig. 4 Schaubilder für Feldverteilungen bei einem Wellen leiter-Taper gemäß Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Wellenleiter-Taper gemäß Fig. 3;

Fig. 6 eine Ätzmaske für die Strukturierung einer Lichtlei terverbindung gemäß Fig. 1, 2 und

Fig. 7 einen Ausschnitt einer Ätzmaske gemäß Fig. 6 für den Bereich einer abzuspaltenden Lasche am Ende des Wel lenleiters.

In den Fig. 1 und 2 sind bei einem opto-elektronisch in tegrierten Chip "OEIC" 1 nur die wesentlichen Teile für eine monolithische Faser-/Chip-Kopplung dargestellt. Ein inte griert optischer Wellenleiter 2 und eine optische Faser 3 sind hierbei zugfest, mit Feldanpassung und stabiler Justie rung auf einem gemeinsamen Träger miteinander verbunden. Die Faser 3 ist in einer Ätzgrube 11 eingebettet. Der Wellenlei ter 2 verläuft in Richtung der Achse der eingebetteten Faser 3 und weist eine optische Endfläche 13 auf, die durch Mikro abspaltung erzeugt worden ist.

Die beiden vergrößert dargestellten Ausschnitte bei den Fig. 1 und 2 für die Bereiche, in denen die beiden Licht leiter 2, 3 miteinander verkoppelt werden, lassen den Unter schied zwischen diesen beiden Ausführungsformen erkennen. Bei der Lichtleiterverbindung gemäß Fig. 1 ist die Faser 3 mit einem Taper 17 versehen; die Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist einen als Taper 7 ausgebildeten Wellenleiter 2 auf, die Endfläche 16 der Faser 3 ist senkrecht zur Faserachse abgespalten und entspiegelt.

Zunächst werden zu der für beide Ausführungsformen überein stimmenden Ausbildung der Ätzgruben 11 und Wellenleiter-End flächen 13 die durchzuführenden Maßnahmen näher erläutert.

Da die Funktionen eines OEIC optische Sender (z. B. Injek tionslaser) , optische Wellenleiterkomponenten, optische De tektoren sowie gegebenenfalls auch elektronische Komponenten einschließen, ist hierfür ein III-V-Halbleitermaterial ein zusetzen. Gegenwärtig steht das Materialsystem InP/InGaAsP für den für die Glasfaserübertragungstechnik relevanten Wel lenlängenbereich von 1,3 µm bis 1,6 µm im Vordergrund. Für das Wellenlängenfenster um 800 nm kommt das GaAs-Materialsy stem in Betracht.

In derartigem Material kann beispielsweise durch eine naß chemische Tiefenätzung unter Verwendung einer dielektrischen Maske die Grube 11 mit einer Tiefe von etwas mehr als dem halben Durchmesser der Faser 3 hergestellt werden. Die Grube 11 schließt sich an den Wellenleiter 2 an. Später wird die Faser 3 in der Grube 11 aktiv justiert und zugfest fixiert.

Bei Ausrichtung von Wellenleiter 2 und Ätzgrube 11 in (10)-Richtung auf (001)-Substrat entstehen Ätzgruben 11 mit positiven Flankenwinkeln von ca. 55°, da die Ätzrate an der (111)-Ebene wesentlich geringer ist. Der Flankenwinkel kann von der (111)-Ebene, 55°, durch zusammenwirkendes dif fusions- und kinetisch kontrolliertes Ätzen um einige Grad abweichen. Experimentell wurden 51°±1° erreicht. Die Toleranz läßt sich bei optimierter Technologie verringern. Bei Ausrichtung von Wellenleiter 2 und Ätzgrube 11 in (110)-Richtung bilden sich entsprechend negative Flankenwin kel aus.

Für Standardfasern mit einem Durchmesser von 125 µm ergibt sich damit eine Maskenbreite von 200 µm für die Ausbildung der Ätzgruben 11.

Die Wellenleiter-Endfläche 13 wird durch Mikroabspaltung ei ner Lasche 18 (vgl. auch Fig. 6 und 7) erzeugt. Dazu ist al lerdings im OEIC-Substrat 1 unter dem Wellenleiter 2 ein be sonderer Schichtenaufbau erforderlich. Direkt unterhalb der Schicht für den Wellenleiter 2 liegt eine optische Puffer schicht 10 und unter dieser eine Ätzschicht 14, die ein se lektives Naßätzen ermöglicht. Alle diese Schichten bestehen aus Materialien, die dem selben Materialsystem angehören, z. B. die Schicht für den Wellenleiter 2 aus InGaAsP mit einer Bandlücke entsprechend 1,05 µm Wellenlänge, die opti sche Pufferschicht 10 aus InP und die Ätzschicht 14 wiederum aus InGaAsP, allerdings mit einer Bandlücke entsprechend ei ner Wellenlänge von 1,3 µm. Besteht die Schicht für den Wellenleiter 2 aus Material mit höherer Brechzahl, kann für die Ätzschicht 14 auch ternäres InGaAs verwendet werden.

Ein derartiger Schichtenaufbau eines OEIC-Substrats 1 läßt sich ohne weiteres im Verlauf eines Epitaxie-Prozesses rea lisieren und erfordert keinerlei zusätzlichen apparativen Aufwand.

Für das Freilegen der abzuspaltenden Lasche 18 am Ende des Wellenleiters 2 stellt in besonders vorteilhafter Weise be reits die Tiefenätzung der Ätzgrube 11 die Vorstufe dar. Zwischen Wellenleiter 2 und der abzuspaltenden Lasche 18 ist eine Sollbruchstelle in Form eines schmalen und kurzen Ste ges 19 vorgesehen. Durch selektives Naßätzen wird die Ätz schicht 14 unterhalb der Lasche 18 und des Steges 19 ent fernt. Das Abspalten der sodann frei vorspringenden Lasche 18 kann durch Anwendung von Ultraschall herbeigeführt wer den.

Beim selektiven Naßätzen wird allerdings die Ätzschicht 14 auch dort, wo sie an den Flankenflächen der Ätzgrube 11 zutage tritt, angegriffen. Hiermit ist jedoch keine Beein trächtigung bezüglich der Einbettung und Befestigung der Faser 3 in der Ätzgrube 11 verbunden. Für das Freilegen der Lasche 18 kann auch ein weiterer lithografischer Schritt und ein Trockenätzen, z. B. reaktives Ionenstrahlätzen, durchgeführt werden.

Die Endfläche 13 des Wellenleiters 2, die beim Abspalten der Lasche 18 am Steg 19 entsteht, weist ohne weitere Bearbei tung ausgezeichnete Eigenschaften für eine dämpfungsarme op tische Stoß-Kopplung auf. Im Gegensatz zu z. B. Si-Material ermöglicht die Kristallstruktur von III-V-Material ein der artiges einfaches Abspalten.

In der Ätzgrube 11 wird die Faser 3 sodann aktiv justiert und anschließend unter Verwendung z. B. eines UV-aushärtenden Klebers oder eines Lotmittels zugfest fixiert. Eine Deju stierung aufgrund thermischer Veränderungen dünner Kleber- bzw. Lotschichten ist allenfalls minimal. Ohne Schwierigkei ten und ohne gegenseitige Beeinträchtigung können deshalb auch mehrere derartige Lichtleiterverbindungen auf einem ge meinsamen Substrat realisiert und dafür alle Fasern 3 nach einander angebracht werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist für den Anschluß einer herkömmlichen, mit einem Taper 17 ausgebildeten optischen Faser 3 ausgelegt. Bei Ausführungsformen gemäß Fig. 2 gelan gen hingegen Fasern 3 mit zum Faserkern senkrechter, entspie gelter Endfläche 16 und solche Wellenleiter 2 zum Einsatz, die im Übergangsbereich zur Endfläche 13 als asymmetrischer Wellenleiter-Taper 7 ausgebildet sind. Zur optischen Anpas sung im Spalt zwischen den Endflächen 13 und 16 dient ein Kleber mit der gleichen Brechzahl wie der des Kerns der Fa ser 3. Bei dieser Art einer Lichtleiterverbindung wird durch einfach durchzuführende Maßnahmen bei der Erzeugung der Schichten unterhalb des integriert optischen Wellenlei ters 2 und durch die Ausbildung des Tapers 7 in seinem End bereich eine aufgeweitete und in ihrer Form mehr an das ra dialsymmetrische optische Feld einer Faser angepaßte Inten sitätsverteilung herbeigeführt.

Die Fig. 3 und 5 zeigen im Längs- bzw. Querschnitt den Aufbau eines derartigen asymmetrischen Wellenleiter-Tapers 7. Ein unvergrabener Wellenleiter 2 bedeckt eine nach unten von der Ätzschicht 14 begrenzte Schichtenfolge, in der sich mindestens eine optische Leitschicht 21 zwischen optischen Pufferschichten 10 befindet. Der Wellenleiter 2 weist die Dicke t1, an der Wellenleiter-Endfläche 13 die Dicke t3 auf. Um den Taper 7 möglichst kurz halten zu können, ist die erste Teilstrecke L1 bis zur Dicke t2 als steilere Rampe als die zweite Teilstrecke L2 zwischen den Dicken t2 und t3 ausgebildet. Die flachere Rampe der Teilstrecke L2 sowie deren Dicke t3 an der Endfläche 13 gewährleisten geringe Abstrahlverluste. Ein Substrat 22, das die Funk tion des Wellenleiter-Tapers 7 nicht beeinträchtigt, kann zum Schutz der Oberfläche des OEIC oder für die Gewährlei stung von Funktionen anderer Bauelemente dienen.

Aus Fig. 4 ist die Wirkungsweise des Wellenleiter-Tapers 7 zu erkennen. An den Stellen t1/t2/t3 (vgl. Fig. 3) sind die Feldverteilungen einer geführten Mode dargestellt. Wegen des stark unterschiedlichen Brechzahlsprungs gegenüber den Medien ober- und unterhalb der Schicht des Wellenleiters 2 (oben: Luft; unten: Substrat) wird das optische Feld bei großer Dicke t1 praktisch vollständig in dieser Schicht, bei geringerer Dicke t2 mit einem bedeutenden Anteil auch in der optischen Pufferschicht 10 zwischen den Leitschich ten 2 und 21 und bei geringer Dicke t3 nahezu vollständig in den Pufferschichten 10 mit Zentrum in der optischen Leit schicht 21 geführt.

Ein solcher Wellenleiter-Taper 7 arbeitet in beiden Richtun gen, kann sich also sowohl an einer optischen Ein- als auch an einer optischen Auskoppelstelle befinden.

Die Erscheinung, daß bei Unterschreiten einer bestimmten Dicke des Wellenleiters 2 dort keine vertikale Führung einer optischen Welle auftritt, wird als "Cut-Off" bezeichnet. Für eine horizontale Führung der optischen Welle sorgt z. B. eine auf dem Wellenleiter 2 ausgebildete Rippe.

Die Angaben im nachstehenden Beispiel zum strukturellen Auf bau eines Wellenleiter-Tapers 7 beziehen sich auf die Fig. 3 und 5:

- Substratmaterial: GaInAsP/InP
quaternäre Schicht: Bandkante entsprechend 1,3 µm Wellen länge
- Rippe: Breite w = 3 µm; Höhe h = 0,05 µm
- Leitschicht(en): Dicke tL = 0,04 µm
- Pufferschicht(en): Dicke tB2 = tB1 = 4 µm
- Ätzschicht: Dicke tE = 2 µm
- Längsprofil des Tapers 7: t1 = 0,5 µm, t2 = 0,23 µm, t3 = 0,2 µm,
L1 = 500 µm; L2 = 500 µm.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausschnitte der Ätzmasken mit cha rakteristischen Maßangaben. Für Standardfasern mit 125 µm Durchmesser können integriert optische Wellenleiter 2 im ge genseitigen Abstand von 250 µm liegen. Zwischen Ätzgruben 11 mit einer Länge von ca. 2000 µm bis 5000 µm verbleiben Wälle von 50 µm Breite. Diese haben einen Abstand von 100 µm zum Gebiet mit den Wellenleitern 2.

Für die Grundfläche der Lasche 18 sind z. B. (20·20) µm², für den Steg 19 ca. (10·10) µm² vorzusehen (vgl. Fig. 7).

Nicht dargestellte und/oder in den vorstehenden Ausführun gen nicht besonders erwähnte Einzelheiten sollen auch dann von der Erfindung erfaßt sein, wenn es sich um technisch gleichwertige Maßnahmen handelt. So können z. B. statt eines Faser-Tapers 17 auch mikrooptische Elemente eingesetzt, die Wellenleiter-Endfläche 13 insbesondere für kohärente Anwen dungen entspiegelt, andere Lift-Off-Techniken für die abzu spaltende Lasche 18 angewendet und andere als im Beispiel angegebene Abmessungen gewählt werden.

Claims

1. Auf einem gemeinsamen Substrat (1) ausgebildete Lichtlei terverbindung zum Verkoppeln eines integriert optischen Wel lenleiters (2) mit einer in einer Ätzgrube (11) im Substrat (1) eingebetteten optischen Faser (3) dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial besteht und der Wellenleiter (2) als Oberflächen-Streifenwellenlei ter ausgebildet und mit einer durch Mikroabspaltung erzeug ten Endfläche (13) versehen ist.

2. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (3) zugfest in der Ätzgrube (11) einge bettet ist.

3. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgrube (11) v-förmig ausgebildet ist.

4. Lichtleiterverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (3) mit einem Taper (17) versehen ist.

5. Lichtleiterverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2) im näheren Bereich seiner Endfläche (13) als asymmetrischer Wellenleiter-Taper (7) ausgebildet ist.

6. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wellenleiters (2) mit seinem Taper (7) das Substrat (1) mindestens eine optische Leitschicht (21) in Höhe der Achse der optischen Faser (3) aufweist.

7. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter-Taper (7) in seiner Längsrichtung mit un terschiedlicher, an der Endfläche (13) geringster Rampennei gung ausgebildet ist.