DE4445997A1 - Anordnung zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ein optisches Bauelement - Google Patents
Anordnung zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ein optisches BauelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung
wenigstens einer Lichtleitfaser an wenigstens ein op
tisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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.
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
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DE19944445997 DE4445997C2 (de) | 1994-12-22 | 1994-12-22 | Anordnung zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ein optisches Bauelement |
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