DE4445997A1 - Anordnung zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ein optisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung wenigstens einer Lichtleitfaser an wenigstens ein op­ tisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

In der optischen Nachrichtentechnik werden Empfangs­ und/oder Sendemodule zur elektronischen Wandlung op­ tischer Daten benötigt. Für diese elektronische Wand­ lung werden elektrooptische Wandlerelemente einge­ setzt. Im zunehmenden Maße wird die Wandlung op­ tisch/elektronisch für eine Vielzahl räumlich benach­ barter Teilnehmer gemeinsam durchgeführt, und jeder einzelne Teilnehmer muß über eine elektrische An­ schlußleitung versorgt werden. Es ist auch denkbar, daß zunehmend auch jeder einzelne Endverbraucher in das optische Nachrichtennetz eingekoppelt werden soll und hier die Wandlung optisch/elektronisch entweder für mehrere Endverbraucher zentral erfolgt oder jeder Endverbraucher individuell eingebunden werden soll. Da die für die Wandlung eingesetzten optoelektroni­ schen Bauelemente, beispielsweise Photodioden, zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Staub usw., in einem hermetisch dichten Gehäuse angeordnet werden müssen, kommt der Ankopp­ lung einer ankommenden Lichtleitfaser an die Photo­ diode eine besondere Bedeutung zu.

Hierzu ist bereits vorgeschlagen worden, die Licht­ leitfaser durch eine Gehäusewand zu führen, wobei die Lichtleitfaser in eine Metallkapillare eingelötet wird, die in einer Bohrung der Gehäusewand fixiert werden kann. Hierbei ist der erhebliche Arbeitsauf­ wand nachteilig.

Weiterhin ist bereits vorgeschlagen worden, die die optoelektronischen Bauelemente aufnehmenden hermeti­ schen Gehäuse auf einer Trägerplatte anzuordnen, wo­ bei die Trägerplatte eine Pufferschicht aufweist, in die Wellenleiter strukturiert sind. Diese Wellen­ leiter werden aus dem Gehäuse herausgeführt und außerhalb des Gehäuses mit einer Lichtleitfaser gekoppelt, während die in dem Gehäuse liegenden Wel­ lenleiterenden an die dort vorgesehenen opto­ elektronischen Bauelemente angekoppelt werden. Hier­ bei ist nachteilig, daß einerseits zusätzliche Wel­ lenleiterstrukturen geschaffen werden müssen und die Lichtleitfasern zusätzlich zu den Wellenleitern justiert und angeordnet werden müssen.

Aus der älteren Patentanmeldung DE 43 23 681.2 ist eine Anordnung zur Ankopplung wenigstens einer Licht­ leitfaser an wenigstens ein optisches Bauelement be­ kannt, bei der die Lichtleitfaser und das optische Bauelement an gegenüberliegenden Seiten eines optisch transparenten Trägers angeordnet sind. Die Lichtleit­ faser ist hierbei in einer Justagestruktur des Trä­ gers angeordnet, wobei eine optische Achse der Licht­ leitfaser parallel zu dem Träger verläuft. Im Bereich der optischen Achse ist eine Lichtstrahlumlenkein­ richtung angeordnet, die eine Umlenkung der Licht­ signale von der Lichtleitfaser zu dem an der anderen Seite des Trägers angeordneten optischen Element be­ wirkt. Die Lichtstrahlumlenkeinrichtung ist von einem Element gebildet, welches auf der die Lichtleitfaser aufweisenden Seite des Trägers angeordnet ist. Durch die Trennung der Justagestruktur für die Lichtleit­ faser und der Lichtstrahlumlenkeinrichtung ist eine präzise Ausrichtung der Lichtstrahlumlenkeinrichtung auf die Lichtleitfaser, insbesondere auf dessen op­ tische Achse, notwendig, da schon geringste Abwei­ chungen zu einer fehlerhaften Umlenkung der Licht­ signale führen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß auf einfache Weise eine korrekte und fehlerfreie Umlenkung der Lichtsignale möglich ist. Dadurch, daß die Lichtstrahlumlenkeinrichtung von einer Justage­ struktur für die Lichtleitfaser gebildet wird, ist es vorteilhaft möglich, die Lichtstrahlumlenkeinrichtung und die Justagestruktur gleichzeitig auf einem ge­ meinsamen Grundkörper auszubilden, so daß eine auf­ wendige Ausrichtung der Lichtstrahlumlenkeinrichtung auf die Justagestruktur nicht notwendig ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß die Justagestruktur und die Lichtstrahl­ umlenkeinrichtung gemeinsam in den Grundkörper, der vorzugsweise ein einkristalliner Siliciumwafer ist, mittels an sich bekannter naßchemischer Ätztechniken eingeätzt wird. Durch das anisotrope naßchemische Ätzen in alkalischen Medien, beispielsweise in Kaliumhydroxid, lassen sich in Silicium hochpräzise mechanische Strukturen mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich herstellen. Die hochpräzisen me­ chanischen Strukturen weisen hierbei entsprechend den {111}-Kristallebenen des Siliciumwafers verlaufende, allseitig angeordnete V-förmige Begrenzungsflächen auf. Diese V-förmigen Begrenzungsflächen können einerseits als Justagestruktur für eine eingelegte Lichtleitfaser und andererseits als Lichtstrahlum­ lenkeinrichtung dienen, da eine stirnseitig zu der Lichtleitfaser verlaufende V- förmige Begrenzungsflä­ che einen definierten Winkel zu der optischen Achse der Lichtleitfaser aufweist, und somit ein auf die Begrenzungsfläche auftreffendes Lichtsignal definiert umlenkt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die die Lichtstrahlumlenkeinrich­ tung ergebende V-förmige Begrenzungsfläche der Justagestruktur eine Verspiegelung, vorzugsweise eine dünne Metallschicht, aufweist, so daß der Reflexions­ grad bei der Umlenkung eines Lichtsignals erhöht wer­ den kann, und sich damit die optischen Verluste bei der Ankopplung der Lichtleitfaser an das optische Bauelement verringern.

Ferner ist vorteilhaft, wenn die Justagestruktur und die Lichtstrahlumlenkeinrichtung auf einem von dem das optische Bauelement aufnehmenden Träger ge­ trennten Grundkörper angeordnet sind, wobei der Trä­ ger und der Grundkörper zu einer Einheit verbindbar sind, da so der optisch transparente Träger für das Bauelement und das die Lichtstrahlumlenkeinrichtung ausbildende Grundelement unabhängig voneinander für ihren jeweiligen Einsatzzweck optimiert werden kön­ nen. Insbesondere kann so der optisch transparente Träger für das optische Bauelement für die Ausübung weiterer Funktionen, wie beispielsweise die Aufnahme elektrischer Verstärkerschaltungen, Verbindungen usw., angepaßt werden. Gleichzeitig kann der Träger als Bestandteil eines hermetisch dichten Gehäuses für die Aufnahme der optischen Bauelemente ausgebildet sein, der bestimmte mechanische Eigenschaften auf­ weisen muß, die an den Grundkörper, der die Licht­ strahlumlenkeinrichtung aufweist und die Lichtleit­ faser aufnimmt, nicht gestellt sein müssen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merk­ malen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Anordnung zur Ankopplung einer Licht­ leitfaser an ein optisches Bauelement und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Grund­ körpers der Anordnung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete An­ ordnung zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ein optisches Bauelement. Die Anordnung 10 besteht aus einem Träger 12, der aus einem optisch transparenten Material besteht. Der Träger 12 kann beispielsweise aus Silicium bestehen, das eine Bandlücke von ca. 1100 nm aufweist und für Wellenlängen oberhalb dieses Bereiches optisch hochtransparent ist. Auf dem Träger 12 ist eine Isolationsschicht 14 aufgebracht, auf der ein optisches Bauelement 16 angeordnet ist. Das op­ tische Bauelement 16 kann sowohl ein Lichtsignale empfangendes als auch Lichtsignale sendendes Bauele­ ment sein. Das Bauelement 16 ist innerhalb eines hier angedeuteten hermetisch dichten Gehäuses 18 angeord­ net. Auf der Isolationsschicht 14 sind wenigstens zwei Leiterbahnen 20 angeordnet, die durch die Wan­ dung des Gehäuses 18 hindurchgeführt sind. Die Lei­ terbahnen 20 besitzen somit einen innerhalb des Gehäuses 18 liegenden Anschlußbereich 22 und jeweils einen außerhalb, hier nicht gesondert dargestellten, Anschlußbereich 24. Die Anschlußbereiche 22 sind über elektrisch leitende Verbindungen 26 mit Anschluß­ punkten 28 des optischen Bauelementes 16 verbunden. Das optische Bauelement 16 ist so auf dem Träger 12 beziehungsweise der ebenfalls optisch transparenten Isolationsschicht 14 angeordnet, daß ein licht­ empfindlicher Bereich 30 dem Träger 12 zugewandt ist.

An einer dem optischen Bauelement 16 abgewandten Sei­ te 32 (Oberfläche) des Trägers 12 ist ein als Grund­ körper 34 bezeichnetes Element angeordnet. Der Grund­ körper 34 besitzt eine - noch zu erläuternde - Justagestruktur 36, die sich parallel zu dem Träger 10 erstreckt und unterhalb des Bauelementes 16 endet. Innerhalb der Justagestruktur 36 ist eine Lichtleit­ faser 38, beispielsweise eine Glasfaser, angeordnet. Die Lichtleitfaser 38 besitzt eine optische Achse 40. Im Bereich der verlängerten optischen Achse 40 der Lichtleitfaser 38 ist eine Lichtstrahlumlenkeinrich­ tung 42 angeordnet. Die Lichtstrahlumlenkeinrichtung 42 wird von einer Begrenzungsfläche 44 der Justage­ struktur 36 gebildet. Die Begrenzungsfläche 44 ist in einem Winkel von 54,7° gegenüber einer dem Träger 12 zugewandten Seite (Oberfläche) 48 des Grundkörpers 34 geneigt. Die Begrenzungsfläche 44 besitzt eine Ver­ spiegelung 50, die beispielsweise durch eine Metal­ lisierung gebildet ist. Der Träger 12 besitzt wei­ terhin eine zur Justierung der Lichtleitfaser 38 zu der ersten Justagestruktur 36 des Grundkörpers 34 komplimentär ausgebildete zweite Justagestruktur 52. Die Justagestrukturen 36 und 52 sind so ausgebildet, daß eine in sie eingelegte Lichtleitfaser 28 mit ihrer optischen Achse 40 unterhalb der Oberfläche 48 des Grundkörpers 34 zu liegen kommt. Auf der Oberflä­ che 72 des Trägers 12 ist zumindest im Bereich der Lichtstrahlumlenkeinrichtung 42 eine Antireflex­ schicht 51 aufgebracht.

In der Fig. 2 ist der Grundkörper 34 mit einer ein­ gelegten Lichtleitfaser 38 in einer perspektivischen Ansicht verdeutlicht. Die Lichtleitfaser 38 liegt in der Justagestruktur 36 ein, die von allseits V-förmig verlaufenden Begrenzungsflächen 54 und 44 gebildet wird. Die Begrenzungsflächen 44 und 54 verlaufen un­ ter einem Winkel 54,7° zu der Oberfläche 48 des Grundkörpers 34. Die seitlichen Begrenzungsflächen 54 der sackförmig verlaufenden, grabenförmigen Justage­ struktur 36 dienen der Lagefixierung der Lichtleit­ faser 38, die eine selbstjustierte Position einnimmt. Die Justagestruktur 36 besitzt eine Tiefe, die ge­ währleistet, daß die durch eine Fasermitte der Licht­ leitfaser 38 gebildete optische Achse 40 unterhalb der Oberfläche 48 des Grundkörpers 34 zu liegen kommt. Die Begrenzungsfläche 44 bildet gleichzeitig einen Anschlag für die Lichtleitfaser 38, die mit ih­ rer Mantelfläche 56 an die Begrenzungsflächen 44 her­ angeschoben wird. Durch die schräg verlaufende Begrenzungsfläche 44 ergibt sich ein Abstand zwischen der Lichtleitfaser 38 und der Begrenzungsfläche 44 im Bereich der optischen Achse 40.

Die Justagestruktur 36 wird durch einen anisotropen naßchemischen Ätzvorgang in alkalischen Medien, bei­ spielsweise Kaliumhydroxid, hergestellt. Der Grund­ körper 34, der beispielsweise aus einkristallinem Silicium besteht, erhält hierzu eine Maskierung 58, beispielsweise aus Siliciumnitrid oder Silicium­ dioxid, die durch eine gegen das Ätzmedium resistente Schicht 60 gebildet wird. Die Maskierung 58 bildet einen Bereich aus, der der späteren Justagestruktur 36 entspricht. Während des naßchemischen Ätzens ent­ stehen die V-förmig verlaufenden Begrenzungsflächen 54 und 44, die von {111}-Kristallebenen des Siliciums begrenzt werden und einen Winkel von 54,7° mit der Oberfläche 48, die durch eine {100}-Kristallebene ge­ bildet wird, einschließen. Durch die Ausbildung der Justagestruktur 36 mittels der naßchemischen Ätztech­ nik wird erreicht, daß bei einer eingelegten Licht­ leitfaser 38 deren optische Achse 40 exakt parallel zur Oberfläche 48 des Grundelements 34 verläuft.

Da das optische Bauelement 16 außerhalb der optischen Achse 40 der Lichtleitfaser 38 liegt, wird eine op­ tische Verbindung mittels der Lichtstrahlumlenkein­ richtung 42 geschaffen. Ein aus der Lichtleitfaser 38 austretendes Lichtsignal trifft auf die Lichtstrahl­ umlenkeinrichtung 42, die von der Begrenzungsfläche 44 der Justagestruktur 36 gebildet wird. Hierbei wird das Lichtsignal derart umgelenkt, daß es durch den Träger 12 hindurchtritt und auf den lichtempfind­ lichen Bereich 30 des optischen Bauelementes 16 trifft. Durch die Verspiegelung 50 der Begrenzungs­ fläche 44 wird der Reflexionsgrad bei der Umlenkung des Lichtsignals erhöht. Die auf der Oberfläche 32 des Trägers 12, zumindest im Bereich der Umlenkein­ richtung 42 angeordnete Antireflexschicht 51 stellt eine Entspiegelung der Oberfläche 32 dar und führt zu einer Unterdrückung von den sogenannten Fresnelver­ lusten.

Da die die Begrenzungsfläche 44 ergebende {111}- Kristallebene des Grundkörpers 34 einen Winkel von 54,7° gegen die Oberfläche 48 bildet, steht der umge­ lenkte Strahl nicht genau senkrecht zu der Oberfläche 48, sondern schließt einen Winkel von 19,4° mit der Flächennormalen ein. An der Oberfläche 32 des Trägers 12 wird der Lichtstrahl gebrochen und breitet sich innerhalb des Trägers 12 (Brechungsindex n = 3,5) mit einem Winkel von ca. 5,4° gegen die Flächennormale aus. Zum Ausgleich dieser Ablenkung ist der licht­ empfindliche Bereich 30 des optischen Bauelementes 16 um eine Strecke s gegen den Auftreffpunkt des Strahls 62 auf der Lichtstrahlumlenkeinrichtung 42 versetzt. Die Strecke s ergibt sich aus einer Dicke d des Trä­ gers 12 sowie der Lage der optischen Achse 40 der Lichtleitfaser 38, die durch eine Tiefe t, mit der die optisch Achse 40 unterhalb der Oberfläche 48 des Grundkörpers 34 liegt, beschrieben wird. Die Strecke s läßt sich also wie folgt berechnen:

s = t·tan 19,4° + d·tan 5,4°

Liegt die optische Achse 40 beispielsweise 40 µm un­ terhalb der Oberfläche 48 des Grundkörpers 34, und beträgt die Dicke des Trägers 12 525 µm, so ergibt sich für die Strecke s, also für einen lateralen Versatz des Bauelementes 16 zu der Lichtstrahlumlenk­ einrichtung 42, ein Wert von ca. 64 µm.

Um die Lage der Lichtleitfaser 38, der Lichtstrahl­ umlenkeinrichtung 42 sowie des optischen Bauelementes 16 relativ zueinander festzulegen, muß die Justage­ struktur 52 des Trägers 12 zur Lage des optischen Bauelementes 16 justiert werden. Dies kann beispiels­ weise durch eine Photolithographie unter Einsatz eines zweiseitigen Belichtungsgerätes problemlos er­ folgen. Hierbei wird einerseits die Lage der Justage­ struktur 52 und andererseits die Lage des Bauele­ mentes 16 bestimmt. Eine weitere Justierung erfolgt durch die relative Lage der Justagestruktur 36 des Grundkörpers 34 zu der Justagestruktur 52 des Trägers 12. Dies kann durch Justagehilfsmittel erfolgen, die eine definierte Lage des Trägers 12 und des Grund­ körpers 34 zueinander beim Fügen gewährleisten. Hier­ durch erfolgt eine exakte Ausrichtung, so daß die Lichtleitfaser 38 in ihrer vorherbestimmten Position selbstjustiert wird.

Das Fügen des Trägers 12 mit dem Grundkörper 34 kann beispielsweise durch anodisches Bonden mittels einer dünnen Glaszwischenschicht erfolgen. Hierbei werden spezielle Gläser, wie beispielsweise Pyrex 7740 ver­ wendet, bei denen durch einen Gehalt an beweglichen Ionen bei erhöhten Temperaturen und unter Anlegen einer elektrischen Spannung ein enger Kontakt zwi­ schen den Oberflächen des Glases und der Oberfläche 32 des Trägers 12 beziehungsweise der Oberfläche 48 des Grundkörpers 34 erreicht wird und eine feste che­ mische Bindung entsteht, die auch nach Abschalten der Spannung und Abkühlen der Bondpartner bestehen bleibt.

Das Fügen des Trägers 12 mit dem Grundkörper 34 kann weiterhin durch ein Silicium-Direktbonden oder Silicon-Fusionbonding erfolgen, bei dem der Träger 12 und das Grundelement 34 in engen Kontakt gebracht werden und sich unter Anwendung einer hohen Tempe­ ratur Silicium-Silicium-Bindungen zwischen den Ober­ flächen 32 und 48 ausbilden. Dieser Bondprozeß gewährleistet eine sehr hohe Festigkeit ohne Zwi­ schenschaltung einer zusätzlichen Zwischenschicht. Anstelle des Bondens kann ein Fügen des Trägers 12 mit dem Grundkörper 34, beispielsweise jedoch auch durch eine Verklebung oder andere geeignete Maß­ nahmen, erfolgen.

Claims (9)

1. Anordnung zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ein optisches Bauelement, wobei die Lichtleitfaser und das optische Bauelement an gegenüberliegenden Seiten eines optisch transparenten Trägers angeordnet sind und die optische Achse der Lichtleitfaser paral­ lel zu dem Träger verläuft, mit einer im Bereich der optischen Achse angeordneten Lichtstrahlumlenkein­ richtung, die eine Umlenkung eines Lichtstrahls von der Lichtleitfaser zu dem optischen Bauelement be­ wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlum­ lenkeinrichtung (42) von einer Justagestruktur (36) der Lichtleitfaser (38) gebildet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Justagestruktur (36) ein anisotrop naßche­ misch in einen Grundkörper (34) eingeätzter, allsei­ tig V-förmige Begrenzungsflächen (54, 44) aufweisen­ der Graben ist.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine in die Justagestruk­ tur (36) eingelegte Lichtleitfaser (38) mit ihrer op­ tischen Achse (40) unterhalb einer Oberfläche (48) des Grundkörpers (34) liegt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine stirnseitig zu der Lichtleitfaser (38) verlaufende Begrenzungsfläche (44) die Lichtstrahlumlenkeinrichtung (42) bildet.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche (44) eine Verspiegelung (50) aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspiegelung (50) von einer Metallisierung gebildet wird.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (34) und der Träger (12) getrennte Elemente bilden, die zu der Anordnung (10) gefügt werden.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (34) und der Träger (12) gebondet sind.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement (16) mit seinem lichtempfindlichen Bereich (30) zu einem Auftreffpunkt des Lichtstrahls (62) auf die Lichtstrahlumlenkeinrichtung (42) um eine Strecke (s) lateral versetzt ist.