DE68929065T2

DE68929065T2 - Unterbaugruppe für optoelektronische Bauelemente

Info

Publication number: DE68929065T2
Application number: DE68929065T
Authority: DE
Inventors: Greg E. Blonder; Bertrand Harold Johnson
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1988-03-03
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: DE68929065D1; EP0611975A1; KR920003708B1; JPH029183A; EP0331331A3; DE68918729D1; DE68918729T2; EP0331331A2; EP0611975B1; EP0331331B1; JPH0766985B2; CA1311042C; HK188795A; KR890015431A; SG59861G; US4897711A; ES2060751T3

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtwellenbauelemente und insbesondere eine Untergruppe, die bei der Kapselung von optoelektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Fotodioden und Leuchtdioden (LEDs) verwendet wird.
Herkömmliche Gehäuse für diskrete optoelektronische Bauelemente sind typischerweise aus einer Vielfalt unterschiedlicher Materialien, wie zum Beispiel Metall, Glas und Keramik, zusammengesetzt, und bei der Montage müssen relativ komplizierte Manipulationen von Bauteilen vorgenommen werden. Die US-Patente Nr. 4,357,072 (LED), 4,119,363 (Laser) und 4,233,619 (Photodetektor) sind Beispiele. Bei der Montage müssen Bauteile in drei Dimensionen manipuliert werden, um die Bauteile in den gewünschten Positionen zu plazieren; beispielsweise Ausrichtung eines Bauelements auf ein Substrat, Ausrichtung einer Faser auf eine Hülse, Ausrichtung einer Hülse auf ein Gehäuse und schließlich Ausrichtung des Gehäuses auf das Bauelement. Diese Ausrichtungsschritte hängen von relativ spezialisierten und kostspieligen Geräten ab. Im allgemeinen ist deshalb die z-Achsen-Montage bei diesen Konstruktionen nicht möglich; das heißt, man kann nicht einfach die Bauteile entlang einer zu dem Substrat senkrechten z-Achse bewegen und diese auf dem Substrat plazieren, ohne daß dabei eine weitere Ausrichtung in der x-y-Ebene erforderlich ist. Da die Gehäuse unterschiedliche Materialien enthalten, ist außerdem große Sorgfalt erforderlich, um sicherzustellen, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf eine solche Weise eingestellt werden, daß die Ausrichtungen auch dann stabil sind, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Instabilität führt natürlich zu mechanischer Bewegung der Bauteile und demzufolge zu einer Zunahme der optischen Kopplung zum Beispiel zwischen dem Bauelement und der Faser. Diese Situation führt Entwickler von Gehäusen häufig zu einem Kompromiß zwischen der.
Wärmeableitung und Stabilitätkriterien. Auf jeden Fall nehmeh die Kosten zu.
Für viele kostspielige Anwendungen, insbesondere Fernübertragungssysteme, können die relativ hohen Kosten der Herstellung solcher Gehäuse toleriert werden. Bei manchen kostenkritischen Massenanwendungen wie zum Beispiel Lichtwellensystemen zwischen Vermittlungszentralen oder Gegenstellen und Wohnungen von Teilnehmern (die als der Teilnehmerbereich bekannt sind) sind solche Gehäuse jedoch durch ihre hohen Kosten ungeeignet.
Somit wäre es wünschenswert, über ein Kapselungsverfahren zu verfügen, das (1) für die Produktion der Einzelteile, die Ausrichtung der Teile und zum Schließen des Gehäuses soweit wie möglich handelsübliche Geräte verwendet; und (2) verschiedene Größen von Gehäusen für verschiedene Anwendungen ermöglicht, ohne kostspielige Werkzeugwechsel oder neue Montageverfahren zu erfordern. Zum Beispiel wäre es wünschenswert, auf der einen Seite über eine Untergruppe zu verfügen, die in einen Dual-in-line- Sockel (DIP-Sockel) paßt und für eine Faser mit einem Durchmesser von 125 um ausgelegt ist und andererseits über eine andere Untergruppe zu verfügen, die für eine Faser mit größerem Durchmesser ausgelegt ist und auf einer Leiterplatte (PCB) oberflächenmontiert wird. Bei der Herstellung dieser beiden Konstruktionen wäre normalerweise ein Werkzeugwechsel erforderlich, der aus Gründen der Kosten und Geläufigkeit unerwünscht ist.
Die Literaturstelle DE 3,543,558 lehrt eine optoelektronische Koppelanordnung mit einem optischen Wellenleiter (d. h. Lichtleitfaser), der in einer in einem Substrat ausgebildeten Rille angeordnet ist. Das Substrat enthält weiterhin ein Ablenkelement zur Umlenkung des sich entlang des Lichtwellenleiters aus der Ebene des Substrats heraus und in ein über dem Substrat positioniertes lichtempfindliches Bauelement hinein ausbreitenden Lichts.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Untergruppe nach Anspruch 1 bereitgestellt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Ein Aspekt der Erfindung besteht in der Verwendung eines einkristalligen Halbleiters, wie zum Beispiel Silizium, als das grundlegende Material, aus dem die Untergruppe zur Kapselung optoelektronischer Bauelemente aufgebaut wird, und darin, viele der wohlbekannten Verfahren zur Formung von Siliziumeinzelteilen und zur Ablagerung von Metallen auf diesen auszunutzen. Die derartige Verwendung von Silizium soll als "optische Siliziumbanktechnologie" bezeichnet werden.
Die Reife der Siliziumtechnologie hat mehrere Bedeutungen: erstens sind sehr viele Siliziumverarbeitungsverfahren verfügbar, die deshalb nicht spezifisch entwickelt werden müssen; zweitens sind zahlreiche handelsübliche Geräte verfügbar, die bereits durch Jahre der Massenproduktion kostenvermindert wurden; und drittens können durch diese Verfahren und Geräte vielfältige Formen von Siliziumeinzelteilen durch relativ einfache und kostengünstige photolithographische Prozesse realisiert werden, die auch ohne große Produktionsvolumen kosteneffektiv sind.
Gemäß einer Ausführungsform, die nicht Teil der Erfindung ist, enthält die Untergruppe ein auf einem Siliziumsockel montiertes optoelektrisches Bauelement und eines oder mehrere der folgenden Merkmale: (1) In dem Sockel befindet sich eine Rille zum Führen einer Lichtleitfaser, und an der Stirnseite der Rille ist ein Reflektor ausgebildet. Das Bauelement wird über dem Reflektor plaziert, der Licht zwischen dem Bauelement und der Faser richtet. Das Positionieren des Bauelements über dem Reflektor ist der einzige in der x-y-Ebene erforderliche aktive Ausrichtungsschritt. Alle anderen Ausrichtungen werden automatisch durch die Geometrie der Einzelteile erzielt; (2) Auf dem Sockel sind elektrische Kontakte angeordnet, wobei einer der Kontakte die Stirnseite der Rille überlappt, um den Reflektor zu bilden: (3) Auf dem Sockel ist ein Siliziumdeckel angeordnet, wobei mindestens eine Abmessung des Deckels kleiner als die entsprechende des Sockels ist, damit die Kontakte unter dem Deckel in das Äußere der Untergruppe vorstehen; (4) Der Deckel besitzt einen Hohlraum zum Aufnehmen des Bauelements und eine Rille, die mit der Rille in dem Sockel ausgerichtet ist, um einen Kanal zu bilden, in dem der beschichtete Teil der Faser positioniert wird; (5) In dem Sockel und dem Deckel sind Anschläge angeordnet, um diese aufeinander auszurichten; (6) Teile des Äußeren des Sockels und des Deckels sind metallisiert, um eine Masseabschirmung und eine Stelle zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit dem Rest des Gehäuses bereitzustellen.
Bei einer weiteren Ausführungsform für Bauelemente wie zum Beispiel Fotodioden, die durch eine konforme Beschichtung passiviert werden, kommuniziert eine Öffnung in dem Deckel mit dem Hohlraum, und die Beschichtung wird durch diese eingespritzt.
In noch einer weiteren Ausführungsform, bei der das Bauelement, wie zum Beispiel eine Fotodiode, hermetisch verschlossen werden muß, werden der Sockel und der Deckel durch eine transparente Platte getrennt, wobei der Deckel hermetisch mit der Platte verkapselt ist und das zwischen dem Bauelement und der Faser übertragene Licht durch die Platte hindurch verläuft.
In noch einer anderen Ausführungsform, bei der zwischen der Faser und dem Bauelement, wie zum Beispiel einer LED, eine Linse verwendet wird, wird zwischen dem Sockel und dem Deckel eine die Linse in einer geeigneten Öffnung tragenden Siliziumplatte positioniert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung kann zusammen mit ihren vielfältigen Merkmalen und Vorteilen ohne weiteres aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichungen verstanden werden, wobei die verschiedenen Figuren nur schematisch sind und daher im Interesse der Deutlichkeit nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Fig. 1 ist eine isometrische weggeschnittene Ansicht eines Gehäuses für ein optoelektronisches Bauelement; das Gehäuse enthält eine Untergruppe 10.
Fig. 2 ist eine explodierte Ansicht von Fig. 1, die die beispielhafte Untergruppe 10, einen Anschlußkamm 12, einen DIP-Sockel 14 und eine Abdeckung 16 zeigt.
Fig. 3 ist eine expandierte Ansicht eines Querschnitts der optischen Untergruppe 10 von Figut 1 mit einer darin befindlichen Fotodiode 11.
Fig. 4 bis 7 zeigen isometrische Ansichten der beispielhaften Untergruppe 10 in verschiedenen Stufen der Herstellung.
Fig. 8 bis 10 zeigen Querschnittsansichten von Untergruppen zur Verwendung mit LEDs gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 11 zeigt eine Querschnittsansicht einer hermetischen Untergruppe zur Verwendung mit einer Fotodiode gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

Nunmehr mit Bezug auf Fig. 1-3 ist die Untergruppe 10 von einem Dual-in-line-Gehäuse (DIP) verkapselt gezeigt. Andere Gehäusekonstruktionen, wie zum Beispiel Gußgehäuse, sind jedoch auch geeignet. In der DIP-Konfiguration ist die Untergruppe 10 auf einem Anschlußkamm 12 angebracht, der in einen DIP-Sockel 14 eingesetzt wird. Eine Abdeckung 16 weist einen Schlitz 18 auf, um es einer Lichtleitfaser 20 zu ermöglichen, sich von der Untergruppe 10 aus zu dem Äußeren des Gehäuses hin zu erstrecken. Die Faser 20 ermöglicht die Übertragung von Lichtwellensignalen zu und/oder von einem optoelektronischen Bauelement (z. B. einer Fotodiode 11) in der Untergruppe.
Die Untergruppe 10 wird aus einem einkristalligen Halbleiter, vorzugsweise Silizium, aufgebaut, um die ausgereifte Siliziumtechnologie vom Standpunkt der Verarbeitung und der Verfügbarkeit von Geräten, wie bereits besprochen, auszunutzen.
Zusätzlich verringert die Konstruktionen die Anzahl von Ausrichtungsschritten, die in der x-y-Ebene durchgeführt werden müssen, auf eins. Somit kommt die Untergruppe 10 der gewünschten z-Achsen-Ausrichtung sehr nahe. Insbesondere zeigen Fig. 4 bis 7 die Untergruppe 10 für eine Fotodiode 11 mit einem einkristalligen Siliziumsockel 22, auf dem die Fotodiode montiert wird, einem einkristalligen Siliziumdeckel 24 und einer in einem entlang der Verbindung zwischen dem Sockel und dem Deckel ausgebildeten Kanal angeordneten Lichtleitfaser 20, die dadurch optisch an die Fotodiode angekoppelt wird. Die Untergruppe 10 ist durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale charakterisiert.
(1) Anisotropisch geätzte Doppelrillen (30 und 32 im Sockel und 34 im Deckel) liefern eine Zugentlastung für die und eine Ausrichtung der Faser 20. Die Rille 30 im Sockel ist mit der Rille 34 im Deckel ausgerichtet, um so den beschichteten Teil 21 der Faser 20 aufzunehmen, und die Breite der Rille 34 ist etwas kleiner als die der Rille 30, damit der Teil 21 satt anliegend paßt und Zugentlastung liefert. Die Rille 32 ist andererseits im Sockel in Tandemkonfiguration mit der Rille 30 ausgebildet, weist aber eine beträchtlich kleinere Breite auf, um so den blanken Endteil 23 der Faser 20 aufzunehmen und auszurichten. Die Verwendung von Doppelrillen wird bevorzugt, wenn die Form und Gefügestärke der Faserbeschichtung (z. B. Urethan) in verschiedenen Umweltbedingungen (z. B.. Feuchtigkeit) nicht ausreichend gut gesteuert werden können, um sich für Ausrichtungszwecke auf die Beschichtung verlassen zu können. Andererseits sind manche Faserbeschichtungen (z. B. Polyimide) für Ausrichtungszwecke geeignet; und in diesen Fällen muß weder die Doppelrillenanordnung im Sockel noch die Rille im Deckel verwendet werden; stattdessen kann der Sockel einfach eine Rille zum Halten des beschichteten Teils 21 der Faser gegen den Boden des Deckels aufweisen.
(2) Nachdem die Rillen geätzt wurden, wird der Sockel oxidiert (z. B. es werden 1-10 um SiO&sub2; gebildet) und metallisiert, und es wird standardmäßige Photolithographie verwendet, um die elektrischen Kontakte 40 und 42 zu strukturieren. Die (nicht gezeigte) Oxidschicht verhindert, daß die Kontakte durch das Silizium hindurch kurzgeschlossen werden und veringert ihre gegenseitige Kapazität. Wie in Fig. 4 gezeigt, überlappt der Kontakt 40 die Stirnseite der Rille 32 und bildet einen Drehspiegel des Reflektors 44. Natürlich könnten der Kontakt 40 und der Reflektor 44 falls gewünscht getrennt sein. Wenn die Hauptoberfläche des Sockels eine kristallographische (100)-Ebene ist, dann ist die Stirnseite eine kristallographische (111-)Ebene, und der Reflektor 44 ist daher in einem Winkel von 54,7º ausgerichtet. Letzterer dient sowohl als ein mechanischer Anschlag für die Faser als auch als ein Richtelement für Licht, das aus dem Ende der Faser 20 austritt. Das reflektierte Licht wird somit auf den lichtempfindlichen Bereich der Fotodiode 11 gerichtet. Obwohl der Spiegel 44 nicht in einem Winkel von 45º liegt, reicht er aus, um Licht in die Fotodiode einzukoppeln und zu ermöglichen, daß die Achse der Faser und die Achse der Fotodiode bis auf etwa ± 1 um ausgerichtet werden (wobei ± 5 um Genauigkeit ausreicht).
(3) Die Fotodiode ist als Beispiel eine von hinten beleuchteter InP/InGaAs-Konstruktion der von O. K. Kim im US-Patent Nr. 4,608,506 beschriebenen Art; das heißt, das Bauelement wird durch eine Öffnung in der Metallisierung auf seinem transparenten Substrat hindurch beleuchtet, wodurch der Eintritt von Licht auf den lichtempfindlichen Bereich der Fotodiode ermöglicht wird. Die Substratmetallisierung der Fotodiode wird mit dem Kontakt 40 bondiert, und die Fotodiode wird in der x-y-Ebene ausgerichtet, so daß ihr lichtempfindlicher Bereich über dem Spiegel 44 liegt. Vorteilhafterweise ist dieser Schritt der einzige aktive Ausrichtungsschritt, der bei der Montageprozedur erforderlich ist. Nachdem die Ausrichtung erzielt ist, wird der obere Kontakt der Fotodiode über eine Drahtbondierung 46 mit dem Kontakt 42 verbunden (siehe Fig. 5).
(4) Die Abmessungen des Sockels, des Deckels und der Kontakte sind gegenseitig so aufeinander abgestimmt, daß die Kontaktstellen an den Enden der Kontakte 40 und 42 unter dem Deckel hervorstehen (siehe Fig. 6 und 7), wodurch das Herstellen von Drahtbondierungen mit dem Anschlußkamm ermöglicht wird. Eine solche Bondierung 48 ist in Fig. 1 gezeigt.
(5) Der Deckel und der Sockel werden mittels der Anschläge 50 in bezug aufeinander ausgerichtet. Diese Anschläge sind beispielsweise kleine pyramidenförmige Löcher, die in den Deckel und in den Sockel geätzt werden, wobei sich in jedem Loch im Sockel ein Kugellager befindet, um die Ausrichtung durch einfaches Zusammenrasten des Sockels und des Deckels zu erleichtern. Die Kugeln können aus einer Anzahl von Materialien wie zum Beispiel Metall, Saphir oder Wolframcarbid hergestellt werden. Dieses Verfahren besitzt einen relativ großen Einfangbereich, weil die Kugeln gekrümmt sind und deshalb einen leicht fehlausgerichteten Deckel ohne weiteres zur Ausrichtung führen. Außerdem kann man, statt Deckel und Sockel einzeln auszurichten, den Umstand ausnutzen, daß die Sockel aus einem Wafer herausgeschnitten werden und daß vor dem Trennen der Sockel Fotodioden auf diesen montiert und vor dem Anbringen der Deckel in ihren Positionen geprüft und gebrannt werden können. Als Alternative können die Sockel in 1 · N-Streifen geschnitten werden, bevor die Fotodioden, deren Anzahl N beträgt, montiert werden. Ein ähnlicher 1 · N- Streifen von Deckeln kann dann auf den Streifen von Sockeln ausgerichtet werden, wobei zum Beispiel nur ein Paar von Ausrichtungsanschlägen verwendet wird, und zwar einer an jedem Ende der Streifen, statt einem Paar für jeden einzelnen Deckel und Sockel.
(6) Der Deckel besitzt einen Hohlraum 26 und ein Paar von Öffnungen 52 und 54 (siehe Fig. 7). Wenn sich der Deckel an Ort und Stelle befindet, befindet sich die Fotodiode 11 in dem Hohlraum und die trichterförmige Öffnung 52 ermöglicht das Einsetzen einer konformen Beschichtung (z. B. Silizium zur Passivierung) durch diese (mit anschliessender Aushärtung) zur Abdeckung der Fotodiode. Ähnlich ermöglicht die Öffnung 54 das Einführen von Epoxidharz oder eines anderen Klebstoffs zur Festlegung der Position der Faser 20 in der Untergruppe. Wenn jedoch keine Passivierung erforderlich ist (oder eine hermetische Konstruktion erforderlich ist), dann kann die Öffnung 52 weggelassen werden. Wenn die Faser in die Untergruppe hinein und aus dieser herausgleiten muß (zum Beispiel in einer Einsteckkonstruktion) können ähnlich das Epoxidharz bzw. der Klebstoff und die Öffnung 54 weggelassen werden.
(7) Wenn die Systemspezifikationen erfordern, daß die Fotodiode hermetisch verschlossen wird, ist es im allgemeinen nicht erwünscht, daß sich der beschichtete Teil der Faser in derselben hermetischen Umgebung wie die Fotodiode befindet. In diesem Fall kann eine Konstruktion der in Fig. 11 gezeigten Art verwendet werden. Hier ist zwischen dem Siliziumdeckel 24 und dem Siliziumsockel 22 eine transparente Platte 56 angeordnet. Die Platte 56 kann aus einer Anzahl von Materialien hergestellt werden, darunter zum Beispiel Glas, Silizium oder ein Siliziumsubstrat/Siliziumoxidschichtverbund mit einem in das Substrat geätzten Loch zur Freilegung der Oxidschicht. (Nicht gezeigte) elektrische Kontakte auf dem Deckel 24 oder auf der Platte 56 stehen unter dem Deckel hervor wie in Fig. 6-7, der Deckel weist aber keine Öffnungen auf, die 52 oder 54 in Fig. 7 entsprechen, da wie oben erwähnt keine konforme Beschichtung und kein Epoxidharz verwendet wird. Der Deckel wird entlang seiner Peripherie 58 mit einer Seite der Platte 56 (z. B. mit Lot oder Glas) verschlossen, so daß der Deckel und die Platte eine hermetische Verkapselung für die Fotodiode bilden. Der Sockel 22, der an der anderen Seite der Platte 56 befestigt ist, besitzt eine V-Rille 32 zum Führen des blanken Teils 23 der Faser und einen Drehspiegel 44 zur Umlenkung des Lichts aus der Faser durch die Platte zur Fotodiode.
(8) Das Obere des Deckels und der Boden des Sockels sind metallisiert (nicht gezeigt), um einen Masseschirm bereitzustellen. Aus Gründen der Haftung kann das Silizium oxidiert werden, bevor das Metall abgeschieden wird. Wie in Fig. 1 gezeigt, kontaktiert der metallisierte Boden des Sockels den Anschlußkamm 12, und das Obere des Deckels ist mit diesem durch die Drahtbondierung 49 verbunden.
Untergruppen gemäß Fig. 1-7 wurden unter Verwendung der optischen Siliziumbanktechnologie mit Siliziumeinzelteilen (Sockel, Deckel) mit Abmessungen von etwa 3 mm Breite mal 4 mm Länge mal 750 um Dicke hergestellt. Die anisotropisch geätzten V-Rillen 30, 32 und 34 wurden so ausgelegt, daß sie Einmodenglasfasern 20 mit einem beschichteten Teil 21 mit etwa 250 um Durchmesser und einem blanken Teil 23 mit etwa 125 um Außendurchmesser aufnehmen. Das Oxid auf dem Siliziumsockel war etwa 10 um dick. Die Kontakte 40 und 42 und der Spiegel 44 waren Ti-Pt-Au-Mehrfachschichten (Cr-Au ist ebenfalls geeignet) mit Au als der äußersten Schicht. Die Fotodiode 11, die eihen aktiven Bereich von etwa 75 um aufwies, wurde mit einem eutektischen Lot (Au/Ge oder Au/Sn), das auf die Substratseite der Fotodiode aufgedampft wurde, an den Kontakt 40 bondiert. Da der Siliziumsockel extrem flach ist, konnten sehr dünne (z. B. 3 um) Schichten aus Lot verwendet werden, wodurch sich die Ausgaben aufgrund der Kosten eines separaten Vorformlings aus eutektischem Lot verringern. Vom Standpunkt der Zweckmäßigkeit aus gesehen sollte die Faser nicht zu früh während der Herstellungssequenz in der Untergruppe befestigt werden, weil ansonsten die Manipulation der Untergruppe umständlich werden kann. Somit wird bevorzugt, daß, nachdem der Sockel, die Fotodiode und der Deckel positioniert sind, aber vor dem Aufbringen der konformen Beschichtung, die Untergruppe mit Epoxidharz oder mit einem Lot mit niedrigerem Schmelzpunkt als das für die Fotodiode benutzte Lot an den Anschlußkamm bondiert wird. Nachdem Drahtbondierungen mit der Fotodiode und den Masseschirmen hergestellt wurden, wird die Faser in die V-Rillen der Untergruppe eingeführt und mit Epoxidharz fixiert.
Offensichtlich dient der Deckel mehreren Zwecken, darunter: Schutz des Bauelements während der mit der Verkapselung der Untergruppe in einem Gehäuse verbundenen Gußoperationen; elektrisches Isolieren des Bauelements; gegebenenfalls Eingrenzung des Epoxidharzes und der konformen Beschichtung; und Führen der Lichtleitfaser.
Im Betrieb sind auf diese Weise gekapselte Fotodioden relativ kostengünstig, besitzen relativ hohe Ausbeuten und Empfindlichkeiten von etwa 0,8-0,9 A/W. Es wurden keine Ausfälle beobachtet, wenn die Gehäuse abwechselnd bei -40ºC und +85ºC bei Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt wurden. Der Frequenzgang des Gehäuses hängt von mehreren Faktoren ab, hauptsächlich der Oxiddicke, der Fläche der Kontakte und der Länge der Anschlüsse. Bei entsprechender Konstruktion wurde ein Frequenzgang von etwa 200 MHz gemessen.
Obwohl die Untergruppen von Fig. 1-7 und 11 hinsichtlich Licht in einer Faser beschrieben wurden, das durch eine Fotodiode erfaßt wird, sind diese außerdem zur Einkopplung von Licht aus einer LED in die.
Faser nützlich. Dabei beeinträchtigt die Divergenz der Lichtemission aus der LED jedoch die Kopplungseffizienz in die Faser, und der durch die LED geführte relativ hohe Strom erfordert eine angemessene Wärmeableitung. Diese Probleme werden in den LED-Ausführungsformen der Erfindung, die in Fig. 8-10 gezeigt sind, berücksichtigt. Außerdem kann, wenn eine Multimodenfaser mit größerem Kern verwendet wird, eine Linse erforderlich sein, um auf den aktiven Bereich einer Fotodiode zu fokussieren.
Die in Fig. 8 gezeigte erste LED- Ausführungsform verwendet einen Sockel 70 mit einer Mulde 72, in der eine LED 73 bondiert wird. Der Sockel kann ein Siliziumeinzelteil oder zum Beispiel eine PCB sein. Die LED wird so positioniert, daß ihr lichtempfindlicher Bereich (in dem die meiste ihrer Wärme erzeugt wird) dem Sockel 70 am nächsten liegt. Unter anderem dient der Sockel als Kühlkörper und würde im Fall eines DIP an einem Anschlußkamm bondiert, der unter anderem als ein zusätzlicher Kühlkörper dient. Der Deckel besitzt eine V-Rille 75, die mit einem Reflektor 76 auf ähnliche Weise wie bei den Fotodiodenuntergruppen von Fig. 1-7 abgeschlossen wird. Obwohl der Reflektor 76 als planar abgebildet ist, gibt es Verfahren, um ihn zu krümmen, um so Licht in die Faser hinein zu fokussieren.
Aus der LED emittiertes Licht fällt auf den Reflektor ein und wird auf das Ende einer Multimodenfaser 78 abgebildet. Dieses Verfahren, das in der Lage ist, etwa 30% Kopplung in die Faser zu erzielen, wird durch zwei Faktoren beeinträchtigt: Strahldivergenz aus der LED und das Profil der numerischen Apertur (NA) der Faser (z. B. die NA ist auf der Achse einer Phase mit parabolisch abgestuftem Brechungsindex maximal und nimmt für von der Achse abweichende Strahlen ab). Somit kann die optimale Trennung zwischen LED und Faser von dem Standpunkt der Divergenz aus gesehen kleiner als durch den Spiegel gestattet sein und kann deshalb möglicherweise mit dieser Konstruktion nicht erreichbar sein; während vom Standpunkt der NA aus gesehen, da der Spiegel nicht in einem Winkel von 45º liegt, ein Teil des reflektierten Lichts von der Achse abweicht, wodurch die axiale Position der Faser wichtig wird. Man beachte, daß der Spiegel für (100-)orientiertes Silizium in einem Winkel Von 54,7º liegt, wenn der Spiegel jedoch in einem separaten Stück Silizium ausgebildet würde, das von der (100-)Ebene weg um etwa 10º fehlausgerichtet ist, dann würde der Spiegel in ungefähr 45º ausgerichtet sein. In diesem Fall würde die Rille 75 jedoch schräg verlaufen (statt horizontal), es könnte aber eine (nicht gezeigte) weitere Rille in dem (100-)ausgerichteten Sockel 70 zum Führen der Faser 78 ausgebildet werden.
Obwohl die Kopplung in Fig. 8 durch Füllen des Hohlraums zwischen der LED und der Faser mit Silicon auf etwa 60% gesteigert werden kann, ist es in manchen Fällen vorteilhaft, eine Linse in die Untergruppe einzufügen, um das Licht zu kollimieren und um die Bedeutung des Abstands zwischen Faser und LED zu verringern. Solche Konstruktionen sind in Fig. 9-10 gezeigt.
In Fig. 9 ist die LED 83 auf einem Sockel 80 montiert, bei dem es sich wie oben um ein Siliziumeinzelteil oder um eine PCB handeln kann, auf dem bzw. der die LED-Faser-Untergruppe montiert wird. Diese Untergruppe enthält einen Siliziumdeckel 84 mit einer Anordnung aus V-Rille/Drehspiegel für eine Multimodenfaser 88, wie oben beschrieben. Zusätzlich weist sie ein Silizium-Zwischeneinzelteil 85 auf, das als Träger für die Linse 86 dient. Eine Seite des Trägers besitzt ein anisotropisch geätztes pyramidenförmiges Loch 89, das durch eine schmale Öffnung hindurch mit einem ähnlich geätzten pyramidenförmigen Hohlraum 87 gekoppelt ist. Die LED 83 wird im Hohlraum 87 positioniert, und die Linse 86 wird in der Regel im Loch 89 montiert, fixiert und mit einer reflexionsminderen Beschichtung (AR-Beschichtung) versehen. Die Schmalheit der Öffnung am Boden des Lochs 89 verhindert, daß die Linse in den Hohlraum fällt.
Als Alternative weist der Sockel 90, wie in Fig. 10 gezeigt, eine Aussparung 91 auf, in der die LED 93 montiert wird. Wie oben kann es sich bei dem Sockel zum Beispiel um einen Siliziumsockel oder eine PCB mit einer darin befindlichen Aussparung handeln. Die Anordnung aus V-Rille/Drehspiegel des Siliziumdeckels 94 ähnelt der oben beschriebenen, der Siliziumträger 95 weist aber ein anders geformtes Loch auf, das sich durch diesen hindurch erstreckt. Hier bildet das Loch 97 eine Öffnung in der Oberseite des Trägers 95, die groß genug ist, um die Linse 96 aufzunehmen, die Öffnung in der Unterseite ist jedoch klein genug, um die Linse zu halten und zu verhindern, daß sie durch das Loch fällt. Typischerweise wird die Linse durch Lot oder andere Mittel fixiert. Ein Merkmal der Ausführungsform von Fig. 10 besteht darin, daß vor der Montage der Träger als Griff zur Manipulierung der Linse zum Beispiel beim Aufbringen einer AR- Beschichtung auf diese dient. Obwohl dieser Aspekt auch mit dem Einzelteil 85 von Fig. 9 realisiert werden kann, kann es einfacher sein, die Linse in Fig. 10 durch Metallisieren (oder anderes Verschliessen) des Zwischenraums zwischen, der Linse und dem Träger zum Beispiel bei 99 festzuhalten.
Als letztes versteht sich, daß die derzeitige Technologie zwar nahelegt, daß Silizium das bevorzugte Material ist, aus dem die wesentlichen Einzelteile der Erfindung hergestellt werden, es möglich ist, daß andere Umstände (z. B. Systemspezifikationen und Kostengesichtspunkte) die Verwendung eines anderen Halbleiters (z. B. Ge, GaAs) wünschenswert werden lassen können.

Claims

1. Untergruppe für ein optoelektronisches Bauelement (11) mit:

einem Sockel (70), auf dem das Bauelement angebracht wird,

einer Rille (75) zur Aufnahme einer Lichtleitfaser und

einem Reflektor (76), der auf der Endfläche der Rille ausgebildet ist, um Licht zwischen der Faser und dem Bauelement zu richten, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Untergruppe weiterhin einen Halbleiterdeckel (74) umfaßt, der über dem Sockel angeordnet ist, wobei der Deckel die Rille (75) und den darin ausgebildeten Reflektor (76) aufweist.

2. Untergruppe nach Anspruch 1, wobei der Sockel ein Halbleitersubstrat umfaßt.

3. Untergruppe nach Anspruch 1, wobei der Sockel eine Leiterplatte umfaßt.

4. Untergruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiterhin mit einem Halbleiterträger (85) mit einer Öffnung (87, 89), die sich durch diesen hindurch erstreckt, wobei der Träger zwischen dem Sockel (80) und dem Deckel (84) angeordnet ist und eine Linse (86) in der Öffnung angebracht ist, um Licht zwischen dem Reflektor und dem Bauelement zu fokussieren.

5. Untergruppe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Sockel (90) eine Aussparung (91) aufweist, in der das Bauelement angebracht wird, wobei der Reflektor über der Aussparung angeordnet ist.

6. Untergruppe nach Anspruch 4, wobei die Öffnung einen oberen Teil zum Halten der Linse und einen unteren Teil aufweist, der einen Hohlraum zur Aufnahme des Bauelements (73, 83, 93) bildet.

7. Untergruppe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Bauelement eine Leuchtdiode (73, 83, 93) umfaßt.