DE4301236C1 - Vorrichtung zur optischen Kopplung eines Lichtwellenleiters mit einem optoelektrischen Wandler - Google Patents
Vorrichtung zur optischen Kopplung eines Lichtwellenleiters mit einem optoelektrischen WandlerInfo
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Description
Vorrichtung zur optischen Kopplung eines Lichtwellenleiters
mit einem optoelektrischen Wandler.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Kopplung
eines Lichtwellenleiters mit einem optoelektrischen Wandler,
wobei von einer Stirnfläche des Lichtwellenleiters Licht auf
die Lichteintrittsfläche des optoelektrischen Wandlers fällt.
In der optischen Nachrichtentechnik ist es häufig
erforderlich, einen optoelektrischen Wandler - meist eine
Photodiode - mit einem möglichst hohen Kopplungswirkungsgrad
an einen Lichtwellenleiter anzukoppeln. Dazu ist ein Verfahren
zur aktiven Justage bekannt, bei welchem Licht in den
Lichtwellenleiter eingekoppelt wird und das Ausgangssignal des
optoelektrischen Wandlers während der Justage gemessen wird.
Anschließend wird der Lichtwellenleiter mit geeignetem Kleber
fixiert.
Bei der Verwendung von optoelektrischen Wandlern mit sehr
kleinen Lichteintrittsflächen wird entweder eine
Abbildungsoptik zwischen dem Lichtwellenleiter und dem
optoelektrischen Wandler verwendet (wie beispielsweise bei
DE 35 43 558 A1 und DE 39 14 835 C1) oder die Stirnfläche des
Lichtwellenleiters ist wegen der Aufweitung des austretenden
Lichtes sehr nahe an den optoelektrischen Wandler
heranzuführen. Letzteres erhöht die Genauigkeitsanforderungen
und bei den bekannten Verfahren den Justage-Aufwand.
Aus der DE 39 25 189 C2 ist eine Lichtleitfaser in der Weise
mit einer PIN-Diode gekoppelt, indem direkt auf das
angeschliffene Faserende eine PIN-Struktur aufgebracht ist.
Diese Faser-PIN-Dioden Kombination ist in eine geätzte V-
förmige Nut eines Siliziumchips eingelegt.
In der EP 0 226 296 A1 ist eine Positioniervorrichtung für
optische Komponenten und Wellenleitern offenbart.
Dabei ist eine Laserdiode auf einer Schrägfläche einer in
einem Substrat eingelassenen hohlen Pyramide angeordnet. Auf
die Laserdiode ist die Endfläche einer Lichtleitfaser
gerichtet, die in einer V-Nut in dem Substrat liegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zur optischen Verbindung eines Lichtwellenleiters mit einem
optoelektrischen Wandler vorzuschlagen, bei welcher die
Stirnfläche des Lichtwellenleiters sehr nahe an die
Lichteintrittsfläche des optoelektrischen Wandlers
herangeführt werden kann. Dabei soll möglichst eine
arbeitsaufwendige Justage vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnfläche des Lichtwellenleiters schräg verläuft und
daß an der Oberfläche einer Trägerplatte eine V-förmige Nut
angeordnet ist, die in eine Vertiefung ausläuft mit einer der
Nut gegenüberliegenden zur Oberfläche der Trägerplatte schräg
verlaufenden Wand, welche den optoelektrischen Wandler derart
trägt, daß die Lichteintrittsfläche und die Stirnfläche im
gleichen Winkel zur Oberfläche verlaufen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
daß ohne aufwendige Justage der Lichtwellenleiter dicht an den
optoelektrischen Wandler herangebracht werden kann. Dadurch
können optoelektrische Wandler mit einer kleinen
Lichteintrittsfläche von beispielsweise bis zu 14 µm bei einem
Kerndurchmesser von 10 µm verwendet werden, was wiederum eine
Verwendung von sehr schnellen optoelektrischen Wandlern
ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht
darin, daß durch die schräge Stirnfläche des
Lichtwellenleiters Reflektionen von der Stirnfläche oder der
Oberfläche des optoelektrischen Wandlers zurück in den
Lichtwellenleiter vermieden werden, welche den Sende-Laser am
anderen Ende des Lichtwellenleiters stören könnten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin,
daß die Vertiefung die Form eines Pyramidenstumpfes aufweist,
wobei eine parallel zur Oberfläche verlaufende Bodenfläche der
Vertiefung und die schräg verlaufende Wand eine Anlagekante
für den optoelektrischen Wandler bilden. Hierdurch ist ein
optoelektrischer Wandler mit einer quadratischen oder
rechteckigen Grundfläche sehr genau festgelegt, so daß keine
weitere Justage erforderlich ist.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
wird ein gewisser Freiheitsgrad des optoelektrischen Wandlers
und damit eine Justiermöglichkeit dadurch zugelassen, daß die
Vertiefung die Form einer Pyramide bildet.
Eine besonders hohe Genauigkeit der Winkel und der Abmessungen
der Vertiefung und der V-förmigen Nut wird gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die
Trägerplatte aus Silizium besteht und daß die Wände der
V-förmigen Nut und die schräg verlaufende Wand jeweils mit der
Oberfläche der Trägerplatte einen Winkel von 54,7°
einschließen und daß der Winkel zwischen der Achse des
Lichtwellenleiters und der Normalen der Stirnfläche des
Lichtwellenleiters 35,3° beträgt.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehen, daß die nicht vom Lichtwellenleiter und vom
optoelektrischen Wandler eingenommenen Teile der Nut und der
Vertiefung von einem transparenten Kleber ausgefüllt sind.
Dadurch wird insbesondere der Kopplungswirkungsgrad zwischen
dem Lichtwellenleiter und dem optoelektrischen Wandler durch
Vermeidung von Reflexionsverlusten erhöht.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
in eine Oberfläche eines Trägerplattenrohlings, die parallel
zu einer (100)-Ebene liegt, die V-förmige Nut in Richtung
parallel zu einer 110-Richtung anisotrop geätzt wird und daß
die Vertiefung ebenfalls anisotrop geätzt wird. Bei einer
Vertiefung in Form eines Pyramidenstumpfes wird vorzugsweise
der Ätzprozeß bei Erreichen einer vorgesehenen Tiefe der
Vertiefung beendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich in vorteilhafter
Weise zur Ankopplung von optoelektrischen Wandlern,
insbesondere Photodioden, an als Lichtleitfaser ausgebildete
Lichtwellenleiter. Sie ist allerdings auch zur Ankopplung
einer sogenannten Monitor-Photodiode an einen rückwärtigen
Ausgang eines Halbleiter-Lasers geeignet. Für diese Anwendung
ist in erster Linie die Reflektionsfreiheit wichtig, was durch
die schräg verlaufende Fläche der Vertiefung erreicht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt und
Fig. 2 eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 einen Schnitt und
Fig. 4 eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist an der Oberfläche einer
Trägerplatte 1 aus Silizium eine V-förmige Nut 2 durch
anisotropes Ätzen hergestellt. Die Oberfläche der Trägerplatte
ist dabei parallel zu einer (100)-Ebene und die Richtung der
V-förmigen Nut ist parallel zu einer 110-Richtung des
Siliziums. Die Flanken der V-förmigen Nut 2 werden dann von
(111)-Ebenen gebildet, so daß sich ein Böschungswinkel von
α = 54,7° bildet.
Die V-förmige Nut 2 dient zur Aufnahme eines Endbereichs des
Lichtwellenleiters 3, der optische Signale von einem nicht
dargestellten Sender zuführt. Bei Verwendung einer
Standard-Einzelmode-Faser als Lichtwellenleiter 3 hat dieser
einen Kern 4 mit einem Durchmesser von 10 µm. Der
Lichtwellenleiter 3 ist an seiner Stirnfläche 5 unter einem
Winkel β angeschrägt. Der Winkel β ist der Winkel zwischen der
Faserachse und der Normalen der Stirnfläche des
Lichtwellenleiters 3. Vorzugsweise wird der Winkel
β = 90° - α = 35,3° gewählt. Die V-förmige Nut 2 mündet in
einer ebenfalls anisotrop geätzten Vertiefung 6, an deren der
Nut 2 gegenüberliegenden Wand 7 eine Photodiode 8 angeordnet
ist. Die Wände der Vertiefung 6 weisen den gleichen
Böschungswinkel wie diejenigen der V-förmigen Nut 2 auf. Da
die Photodiode 8 die Form einer quadratischen Platte mit
konstanter Dicke aufweist, liegt die Lichteintrittsfläche der
Photodiode 8 ebenfalls in einem Winkel von 54,7° schräg zur
Oberfläche der Trägerplatte 1, bzw. in einem Winkel β = 35,3°
schräg zur optischen Achse des Lichtwellenleiters. Dadurch
werden Rückreflexionen in den Lichtwellenleiter verhindert.
Der Lichtwellenleiter 3 wird azimutal so ausgerichtet, daß
seine Stirnfläche parallel zur Lichteintrittsfläche der
Photodiode liegt. Danach kann der Lichtwellenleiter 3
praktisch ganz an die Photodiode 8 herangeschoben werden,
wobei möglicherweise durch Toleranzen bei der Herstellung der
schrägen Stirnfläche 5 ein Spalt von wenigen µm verbleibt.
Dieser kann durch einen optisch transparenten Kleber, der auch
zur Fixierung des Lichtwellenleiters 3 in der V-förmigen Nut 2
verwendet wird, ausgefüllt werden. Dadurch werden die
Reflexionsverluste beim Lichtaustritt aus dem
Lichtwellenleiter und beim Lichteintritt in die Photodiode
vermindert. Bei diesem geringen Abstand tritt praktisch keine
Aufweitung des austretenden Lichtstrahls auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 weist die
Vertiefung 6 die Form eines Pyramidenstumpfes auf. Dieses kann
dadurch erreicht werden, daß die anisotrope Ätzung nach einer
definierten Zeit abgebrochen wird. Die Bodenfläche der
Vertiefung 6 bildet dann eine zur Oberfläche der
Trägerplatte 1 parallele Ebene in einer definierten Tiefe. Die
Photodiode 8 wird, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, so
eingelegt, daß eine Seitenkante auf der Grundfläche der
Vertiefung 6 aufliegt. Dadurch ist eine vertikale und eine
seitliche Ausrichtung der Photodiode ohne zusätzlichen
Spielraum mit der in der anisotropen Ätztechnik erreichbaren
Genauigkeit von ±2 µm möglich. Die laterale Ausrichtung erhält
man mit der gleichen Genauigkeit durch Anschlag der Photodiode
8 an eine der beiden Seitenflächen der Vertiefung 6.
Die Photodiode läßt sich hier also mit der für die anisotrope
Ätztechnik erreichbaren Genauigkeit von +2 µm relativ zur Faser
ohne aktive Justage positionieren. Bei einem Kerndurchmesser
von 10 µm ergibt sich mit dieser Positioniertoleranz ein
minimaler Durchmesser der aktiven Fläche der Photodiode von
14 µm. Wegen der damit verbundenen geringen Kapazitäten sind
derartige Photodioden sehr schnell, was dem übertragbaren
Nachrichtenfluß zugute kommt.
Selbst bei den zur Zeit gebräuchlichen Photodioden mit der
kleinsten Lichteintrittsfläche von etwa einem Durchmesser von
30 µm weist die Erfindung den Vorteil auf, daß die Dioden
reflexionsfrei und ohne Justage eingesetzt werden, wobei durch
Verwendung eines transparenten Klebers zwischen Faser und
Photodiode der Kopplungswirkungsgrad durch Vermeidung von
Reflexionsverlusten noch erhöht wird.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel hat die Vertiefung 6′ eine
pyramidenförmige Gestalt. Die Flankenfläche 7′ hat dabei die
Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die Photodiode 8, die
üblicherweise eine quadratische Grundfläche besitzt, wird
derart eingelegt, daß sie mit ihren diagonal
gegenüberliegenden Ecken auf den beiden zur Stirnfläche 7
benachbarten Flächen der Vertiefung 6′ aufsitzt.
Da die Kanten der Photodiode einen Winkel von 90°
einschließen, kann die Photodiode noch um ± 15° innerhalb des
gleichseitigen Dreiecks der Stirnfläche 7′ gedreht werden. Bei
dieser Drehung ändert sich jedoch die Lage des Mittelpunktes
der Photodiode 8 nur sehr wenig. Eine geometrische Berechnung
für die durch die Winkelunsicherheit von ± 15° maximal zu
erwartende Dejustierung d der Photodiode 8 bezüglich der Mitte
des Lichtwellenleiters 3 ergibt sich bei einer Kantenlänge a
der Photodiode zu dh = ±0,106 · a in horizontaler und zu
dv = +0/-0,034 · a in vertikaler Richtung.
Dies kann dazu ausgenutzt werden, daß bei Bedarf durch eine
Drehung der Photodiode eine Feinstjustierung vorgenommen wird.
Bei geringeren Genauigkeitsanforderungen ist trotz einer
möglicherweise schräg eingesetzten Photodiode eine
ausreichende Zuordnung zwischen Lichtwellenleiter und
Photodiode gegeben und keine Justage erforderlich.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur optischen Kopplung eines Lichtwellenleiters
mit einem optoelektrischen Wandler, wobei von einer
Stirnfläche des Lichtwellenleiters Licht auf die
Lichteintrittsfläche des optoelektrischen Wandlers fällt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnfläche des Lichtwellenleiters schräg verläuft und
daß an der Oberfläche einer Trägerplatte (1) eine V-förmige
Nut (2) angeordnet ist, die in eine Vertiefung (6, 6′)
ausläuft mit einer der Nut (2) gegenüberliegenden zur
Oberfläche der Trägerplatte (1) schräg verlaufenden Wand
(7, 7′), welche den optoelektrischen Wandler (8) derart trägt,
daß die Lichteintrittsfläche und die Stirnfläche (5) im
gleichen Winkel zur Oberfläche verlaufen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vertiefung (6) die Form eines Pyramidenstumpfes
aufweist, wobei eine parallel zur Oberfläche verlaufende
Bodenfläche der Vertiefung (6) und die schräg verlaufende Wand
(7) eine Anlagekante für den optoelektrischen Wandler (8)
bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vertiefung (6′) die Form einer Pyramide bildet.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerplatte (1) aus Silizium besteht und daß die
Wände der V-förmigen Nut (2) und die schräg verlaufende Wand
(7, 7′) jeweils mit der Oberfläche der Trägerplatte (1) einen
Winkel von 54,7° einschließen und daß der Winkel zwischen der
Achse des Lichtwellenleiters (3) und der Normalen der
Stirnfläche (5) des Lichtwellenleiters (1) 35,3° beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die nicht vom Lichtwellenleiter (3) und vom
optoelektrischen Wandler (8) eingenommenen Teile der Nut (2)
und der Vertiefung (6, 6′) von einem transparenten Kleber
ausgefüllt sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet,
daß in eine Oberfläche eines Trägerplattenrohlings, die
parallel zu einer (100)-Ebene liegt, die V-förmige Nut in
Richtung parallel zu einer 110-Richtung anisotrop geätzt
wird und daß die Vertiefung ebenfalls anisotrop geätzt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet,
daß in eine Oberfläche eines Trägerplattenrohlings, die
parallel zu einer (100)-Ebene liegt, die V-förmige Nut in
Richtung parallel zu einer 110-Richtung anisotrop geätzt
wird und daß die Vertiefung ebenfalls anisotrop geätzt wird,
wobei der Ätzprozeß bei Erreichen einer vorgesehenen Tiefe der
Vertiefung beendet wird.
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