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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Faseroptik- oder Photonenmodule.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein verbessertes Mikrophotonenmodul,
das mit einem hohen Präzisionsgrad,
ohne Lichtstrahlbehinderung und bei minimierten Kosten hergestellt
ist.
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Optische
Kommunikationssysteme werden weit verbreitet verwendet zum Befördern sehr
großer Mengen
an Informationen mit geringer Verzerrung und mit geringen Kosten über große Distanzen.
Aus diesem Grund wurden wesentliche Entwicklungen von Komponenten
von optischen Kommunikationssystemen durchgeführt, wie z. B. Photonengehäusen oder
Modulen. Photonen beziehen sich allgemein auf Vorrichtungen, die
sowohl elektronische als auch optische Eigenschaften aufweisen.
Diese Vorrichtungen können
Laservorrichtungen, die ansprechend auf ein elektronisches Signal
kohärentes
Licht erzeugen, und Photodetektoren sein, die ansprechend auf Licht
ein elektronisches Signal erzeugen.
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Typischerweise
verwenden Photonenmodule kantenemittierende Halbleiterlaser und
oberflächenerfassende
Photodetektoren (siehe 1A und 1B). Weil ein kantenemittierender
Laser 11 einen relativ großen Drehwinkel aufweist, wie
es aus 1A ersichtlich
ist, weist ein Sendermodul 10 typischerweise eine Linse 12 auf,
die zwischen den Laser 11 und eine optische Faser 13 eingefügt ist,
um eine hohe Effizienz bei einer optischen Kopplung zu erhalten.
Wie es aus 1B ersichtlich
ist, ist eine Linse 17 ebenfalls zwischen die optische
Faser 13 und einen Photodetektor 15 in einem Empfängermodul 14 eingefügt, um eine
hohe Kopplungseffizienz zu erhalten. Dies ermöglicht es, daß die Kopplungseffizienz und
der Abstand zwischen unterschiedlichen Elementen gemäß den Entwurfszielen
variieren.
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Beim
Herstellen des Sendermoduls 10 müssen der Laser 11,
die Linse 12 und die optische Faser 13 in einer
genauen und vorbestimmten Ausrichtung zueinander sein. Gleichartig
dazu müssen
die optische Faser 13, die Linse 17 und der Photodetektor 15 ebenfalls
in einer genauen vorbestimmten Ausrichtung zueinander sein, wenn
das Empfängermodul 14 hergestellt
wird. Um dies zu erreichen, werden typischerweise dreidimensionale
Halterungen und/oder Befestigungen benötigt, um die Komponenten in
Position und zueinander ausgerichtet zu halten, wie es in 2A und 2B gezeigt ist.
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2A ist eine Seitenquerschnittansicht
des Gehäuses
des Sendermoduls 10 von 1A. 2B ist eine Seitenquerschnittansicht
des Gehäuses
des Empfängermoduls 14.
Wie aus 2A ersichtlich
ist, wird eine Halterung 18a verwendet, um die Linse 12 in
Position und in einer vorbestimmter Ausrichtung zu dem Laser 11 zu
halten, der ebenfalls an der Halterung 18a befestigt ist.
Diese Halterung 18a wird dann mit einer anderen Halterung 18b gekoppelt,
die die optische Faser 13 in Position hält und somit das Modul 10 bildet.
Die Ausrichtung des Lasers 11, der Linse 12 und
der optischen Faser 13 wird durch die Halterungen 18a und 18b erreicht.
In 2B wird die Halterung 19a verwendet,
um die Linse 17 zu halten und mit dem Photodetektor 15 auszurichten,
und eine Halterung 19b wird verwendet, um die optische
Faser 13 zu halten. Die Halterung 19b wird dann
mit der Halterung 19a gekoppelt, so daß die optische Faser 13 mit
der Linse 17 ausgerichtet ist.
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Ein
Nachteil solcher Photonenmodule oder -gehäuse ist, daß die Halterungen aufwendig
herzustellen sind, weil dieselben eine relativ hohe Präzision erfordern.
Ein weiterer Nachteil ist, daß es
zeitaufwendig ist, Komponenten der Photonenmodule unter Verwendung
der Halterungen in genauen Positionen zusammenzubauen, wodurch ein
geringer Durchsatz bewirkt wird. Außerdem kann auch viel Zeit
und Sorgfalt benötigt
werden für
die Ausrichtung und Einstellung während dem Zusammenbau der Photonenmodule.
Dies verhindert eine Massenproduktion der Photonenmodule durch Betreiber
mit mittleren Fähigkeiten,
wenn die erforderlichen Ausrichtungskri terien beibehalten werden.
Diese Faktoren begrenzen typischerweise die Kostenreduktion der
Photonenmodule.
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Der
Artikel von Gengenbach u. a. „Gefühlvoll und
Präzise", Technische Rundschau
Transfer, Bd. 89, Nr. 27/28, 7. Juli 1995, S. 21–23 beschreibt einen Mikrooptikduplexer
mit einem Gehäuse,
in dem eine Befestigungsplatte vorgesehen ist, mit Kanälen und Ausnehmungen
in der Oberfläche
der Befestigungsplatte. In den Ausnehmungen sind Kugellinsen angeordnet,
die Licht von einer Laserdiode aufnehmen, die an dem Gehäuse befestigt
ist, dasselbe zu einem Filter und ferner an eine Photodiode übertragen,
die an dem Gehäuse
oder einem Fasernetzwerk befestigt ist.
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Die
EP 0 640 853 A1 beschreibt
eine integrierte optische Hybridtypvorrichtung mit einem doppelschichtigen
Substrat. Das zusammengesetzte Substrat umfaßt ein Tragesubstrat. Das zusammengesetzte
Substrat umfaßt
ein Tragesubstrat und eine laminierte obere Schicht, die auf dem
Tragesubstrat gebildet ist. Erste optische Komponenten sind an der Oberfläche der
oberen Schicht angeordnet, und Kugellinsen sind in Positionierlöchern in
dem Tragesubstrat angeordnet.
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Die
DE 41 33 220 A1 beschreibt
eine Anordnung zum Koppeln von Licht zwischen Wellenleiterfasern
durch Linsen. Auf einem Tragesubstrat sind eine Mehrzahl von Fasern
in Faserrillen angeordnet, und zugeordnete Linsen sind in Ausnehmungen
angeordnet. Zwischen den Linsen und den Fasern sind lichtführende Rillen
vorgesehen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte optische
Vorrichtung zu liefern, die eine vereinfachte Kopplung von Licht
zwischen einer Photonenvorrichtung, beispielsweise einem Laser oder
einem Photodetektor, und einer Linse ermöglicht, ohne Lichtstrahlbehinderung
zwischen denselben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorteilhaft darin, daß dieselbe ein Mikrophotonenmodul
liefert, das mit einem hohen Präzisionsgrad
hergestellt ist, das eine robuste mechanische Eigenschaft aufweist
und das bei minimierten Kosten hergestellt werden kann.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Vorrichtung beschrieben.
Das Verfahren umfaßt
die Schritte des Bildens eines Hohlraums mit geneigten Seitenwänden in
einem Substrat. Eine Photonenvorrichtung ist an dem Substrat an
einem vorbestimmten Abstand von dem Hohlraum befestigt, wobei die
optische Achse der Photonenvorrichtung mit einer Diagonale des Hohlraums
ausgerichtet ist. Eine sphärische
Linse sitzt in Kontakt mit den Seitenwänden des Hohlraums, um eine
vordefinierte Beziehung mit der Photonenvorrichtung ohne Lichtstrahlbehinderung
zu haben.
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Außerdem ist
eine optische Vorrichtung beschrieben, die ein Substrat und einen
Hohlraum umfaßt,
der in dem Substrat gebildet ist. Der Hohlraum hat geneigte Seitenwände. Eine
Photonenvorrichtung ist an dem Substrat bei einem vordefinierten
Abstand zu dem Hohlraum befestigt, mit der optischen Achse desselben
ausgerichtet mit einer Diagonalen des Hohlraums. Eine sphärische Linse
ist in Kontakt mit den Seitenwänden
des Hohlraums in einer vordefinierten Beziehung mit der Photonenvorrichtung ohne
Lichtstrahlbehinderung eingeschlossen.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
offensichtlich, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft darstellen.
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1A und 1B sind schematische Darstellungen von
herkömmlichen
Photonenmodulen;
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2A eine Querschnittsansicht,
die das Gehäuse
des Photonenmoduls von 1A zeigt;
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2B ist eine Querschnittsansicht,
die das Gehäuse
des Photonenmoduls von 1B zeigt;
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3 ist eine perspektivische
Ansicht eines Befestigungsbauglieds mit einem pyramidenförmigen Hohlraum
zum Befestigen einer sphärischen
Linse bezüglich
einer Photonenvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine Draufsicht des
Befestigungsbauglieds mit der Photonenvorrichtung und der sphärischen
Linse und dem optischen Lichtweg;
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5 ist eine Seitenquerschnittsansicht
des Befestigungsbauglieds entlang der optischen Achse der Photonenvorrichtung
und der sphärischen
Linse, die auf dem Befestigungsbauglied befestigt ist;
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6 zeigt, daß der pyramidenförmige Hohlraum
von 3 bis 5 eine abgeschnittene Unterseite aufweist;
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7 ist eine Draufsicht, die
eine weitere Konfiguration des pyramidenförmigen Hohlraums von 3 bis 6 zeigt;
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8 ist eine Seitenquerschnittsansicht
des Befestigungsbauglieds entlang einer Linie 81 von 7;
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9 und 10 zeigen den Prozeß des Herstellens des pyramidenförmigen Hohlraums
in dem Befestigungsbauglied gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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11A und 11B zeigen die Lichtstrahlbehinderung
einer weiteren herkömmlichen
Anordnung zum Befestigen der Photonenvorrichtung; und
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12 bis 14 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Bereitstellens eines Strahlfreiraums an der Ausgangsseite der
sphärischen
Linse, wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen Hohlraum sitzt.
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3 ist eine perspektivische
Ansicht, die ein Befestigungsbauglied 21 eines Photonenmoduls 20 zum
Befestigen einer Photonenvorrichtung 23 und einer sphärischen
Linse 25 (in 4 gezeigt)
zeigt. 4 ist eine Draufsicht
des Befestigungsbauglieds 21, mit der Photonenvorrichtung 23 und
der sphärischen
Linse 25 befestigt. 5 ist
eine Seitenquerschnittsansicht des Befestigungsbauglieds 21,
der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 entlang
der optischen Achse 41 von 4.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die Photonenvorrichtung 23 und
die sphärische
Linse 25 an dem Befestigungsbauglied 21 befestigt,
mit ihrer optischen Achse nahe zu der oberen Oberfläche des
Befestigungsbauglieds 21, ohne Lichtstrahlbehinderung zwischen
den beiden Komponenten 23 und 25. Dies wird erreicht durch
(1) Setzen der sphärischen
Linse 25 in einen präzisionsgebildeten
und im wesentlichen pyramidenförmigen
Hohlraum 22 (3 bis 5) in dem Befestigungsbauglied 21 und
(2) Befestigen der Photonenvorrichtung 23 an dem Befestigungsbauglied 21, derart,
daß die
optische Achse der Photonenvorrichtung 23 mit einer Diagonalen
des pyramidenförmigen Hohlraums 22 ausgerichtet
ist. Außerdem
ist eine Kerbe in einer Ecke des pyramidenförmigen Hohlraums 22 gebildet,
entfernt von der Photonenvorrichtung 23 entlang der Diagonale
des pyramidenförmigen
Hohlraums 22 zum Liefern eines Lichtstrahlfreiraums an
der Ausgangsseite der sphärischen
Linse 25.
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Der
präzisionsgebildete
pyramidenförmige Hohlraum 22 in
dem Befestigungsbauglied 21 liefert auch einen hohen Grad
an Ausrichtungspräzision und
optischer Kopplungseffizienz zwischen der Photonenvorrichtung 23 und
der sphärischen
Linse 25 bei relativ geringen Kosten. Dies liegt daran,
daß der präzisionsgebildete
pyramidenförmige
Hohlraum 22 das Befestigen der sphärischen Linse 25 mit
einer akkuraten Plazierung sowohl in der axialen als auch der lateralen
Richtung bezüglich
der Photonenvorrichtung 22 erlaubt, ohne eine aktive Ausrichtung
zu erfordern. Wenn das Photonenmodul 22 dann optisch mit
einer optischen Faser gekoppelt ist (nicht gezeigt), um ein Kommunikationssystem
zu bilden, ist nur die optische Faser aktiv ausgerichtet. Eine aktive
Ausrichtung bedeutet das Ausrichten der Komponenten mit einer Rückkopplung,
die anzeigt, ob eine Einstellung für die Ausrichtung benötigt wird.
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Weil
die sphärische
Linse 25 die geneigten Seitenwände des pyramidenförmigen Hohlraums 22 kontaktiert,
wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen
Hohlraum 22 sitzt, weist das Photonenmodul 20 außerdem eine
robuste mechanische Eigenschaft auf. Darüber hinaus ermöglicht es
der pyramidenförmige
Hohlraum 22, daß die
sphärische
Linse 25 in dem Befestigungsbauglied 21 auf zweidimensionale Weise
befestigt ist, ohne eine zusätzliche
Befestigung für
die sphärische
Linse 25 zu erfordern. Ferner wird nur ein Befestigungsbauglied
(d. h. das Befestigungsbauglied 21) verwendet, um sowohl
die sphärische
Linse 25 als auch die Photonenvorrichtung 23 zu
befestigen oder zu sichern. Das Befestigungsbauglied 21 ermöglicht auch
eine minimierte Zusammenbauzeit zum präzisen Befestigen der sphärischen Linse 25,
weil eine sphä risch
geformte Linse ohne weiteres durch einen pyramidenförmigen Hohlraum erfaßt wird.
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Mit
Bezugnahme auf 3 bis 5 ist das Befestigungsbauglied 21 aus
Silizium hergestellt. Die Größe des Befestigungsbauglieds 21 hängt von
der Größe der Photonenvorrichtung 23 und
der sphärischen
Linse 25 ab. Weil die Photonenvorrichtung 23 von
300 μm bis
1 mm lang sein kann, und die sphärische
Linse 25 von 300 μm
bis 3 mm reichen kann, kann die Größe des Befestigungsbauglieds 21 so klein
wie etwa 600 μm × 600 μm sein. Allgemein
gesagt, je kleiner die Größe, um so
geringer die damit zusammenhängenden
Gesamtkosten.
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Die
Verwendung von Silizium für
das Befestigungsbauglied 21 ermöglicht es, daß das Befestigungsbauglied 21 einem
photolithographischen Maskierungs- und Ätzprozeß unterworfen wird, der beim Herstellen
von integrierten Halbleiterschaltungen weit verbreitet verwendet
wird. Dies ermöglicht
es, daß das
Befestigungsbauglied 21 mit einem hohen Maß an Genauigkeit
verarbeitet wird. Außerdem kann
eine große
Anzahl des Befestigungsbauglieds 21 aus einem einzelnen
Siliziumwafer hergestellt werden, unter Verwendung von Stapelverarbeitung, und
somit werden die Herstellungskosten des Befestigungsbauglieds 21 reduziert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
besteht das Befestigungsbauglied 21 aus einem Silizium
mit gegenüberliegenden
Oberflächen
(z. B. einer oberen Oberfläche 21a und
einer unteren Oberfläche)
die beide kristallographische <100> Oberflächen sind. Dieser
Siliziumtyp wird nachfolgend als <100> Silizium bezeichnet.
Bei anderen Ausführungsbeispielen liegen
die obere und die untere Oberfläche
des Befestigungsbauglieds 21 nicht auf den <100> Ebenen und schneiden
die <100> Ebenen in einem vorbestimmten
Winkel (z. B. α).
Alternativ können
andere kristalline Halbleitermaterialien verwendet werden, um das
Befestigungsbauglied 21 zu bilden.
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Wenn
der photolithographische Maskierungsprozeß verwendet wird, um eine Öffnung 30 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22 auf dem <100> Siliziumbefestigungsbauglied 21 zu
definieren, ist die Form und die Position der Öffnung 30 mit hoher
Genauigkeit präzise
definiert. Weil das Befestigungsbauglied 21 aus <100> Silizium hergestellt
ist, kann das Befestigungsbauglied 21 dann an der Öffnung 30 anisotrop
geätzt
werden, um den pyramidenförmigen
Hohlraum 22 zu bilden. Die Geschwindigkeit des anisotropen Ätzens kann
beispielsweise unter einer gewissen Bedingung 1000 zu 1 sein. Dies bedeutet,
daß die
vertikale Ätzrate
in das Siliziumbefestigungsbauglied 21 tausendmal schneller
ist als die Geschwindigkeit des Ätzens
zu den kristallographischen <111> Ebenen des Siliziumbefestigungsbauglieds 21.
Anders ausgedrückt,
die kristallographischen <111> Ebenen dienen als Ätzstopps.
Das anisotrope Ätzen
bewirkt, daß die
geätzten
Seitenwände
(z. B. die Seitenwände 32 und 33)
des pyramidenförmigen
Hohlraums 22 auf den kristallographischen <111> Ebenen des Befestigungsbauglieds 21 liegen.
Wie es bekannt ist, schneiden die kristallographischen <111> Ebenen die <100> Ebenen des Befestigungsbauglieds 21 bei
ungefähr
54,7°. Wenn
daher die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 21 auf
den <100> Ebenen liegen, schneiden
die Seitenwände
des Hohlraums 22 die obere und die untere Oberfläche des
Befestigungsbauglieds 21 bei 54,7°. Wenn die obere und die untere
Oberfläche
des Befestigungsbauglieds 21 die <100> Ebenen
in einem Winkel α schneiden,
dann schneidet jede der Seitenwände
des Hohlraums 22 die obere und die untere Oberfläche des
Befestigungsbauglieds 21 63 bei einem Winkel von 54,7° ± α.
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Die <111> Ebenenseitenwände des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22 definieren das Innere des pyramidenförmigen Hohlraums 22 präzise und
bewirken, daß der
pyramidenförmige
Hohlraum 22 präzisionsgebildet
ist, mit Genauigkeiten, die innerhalb des Mikrometer- oder sogar
Submikrometerbereichs liegen. Wenn die sphärische Linse 25 in
dem pyramidenförmigen
Hohlraum 22 sitzt, dann ist die dreidimensionale Position
der sphärischen
Linse 25 mit der gleichen Genauigkeit definiert wie diejenige
des pyramidenförmigen
Hohlraums 22, der auf Standardphotolithographieprozessen
basiert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird das anisotrope Ätzen
unter Verwendung eines Kaliumhydroxid- (KOH-) Ätzmittels durchgeführt. Alternativ
können
andere Ätzmitteltypen
zum Ätzen
des pyramidenförmigen
Hohlraums verwendet werden.
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Die Öffnung 30 des
pyramidenförmigen Hohlraums 22 ist
im wesentlichen quadratisch. Eine Öffnungskante (z. B. Öffnungskante 35)
ist an der Schnittstelle einer Seitenwand und der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21 gebildet. Außerdem ist eine Seitenwandkante
(z. B. Seitenwandkante 36) auch an der Schnittstelle von
zwei benachbarten Seitenwänden
gebildet.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Größe der Öffnung 30 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22 wünschenswerterweise
größer als
diejenige der sphärischen
Linse 25, so daß die
sphärische
Linse 25 die Seitenwände
und nicht die Öffnungskanten des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22 kontaktiert, wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 sitzt,
wie es in 4 gezeigt
ist. In diesem Fall liefern die geneigten Seitenwände des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22 robuste Kontaktpunkte (d. h. die Kontaktpunkte 50–53)
für die
sphärische
Linse 25. Wie bekannt ist, ist eine Ebene robuster als
eine Kante. Eine Kante ist zerbrechlich und schwierig zu bilden.
Falls eine Kante nicht ordnungsgemäß gebildet ist oder abgebrochen
ist, können
sich die Kontaktpunkte mit der sphärischen Linse bewegen. Dies kann
bewirken, daß die
Position der sphärischen
Linse von der vordefinierten Position verschoben wird. Außerdem können die
Kantenkontaktpunkte typischerweise ein sphärisch geformtes Objekt nicht
einschließen.
Diese Probleme verschwinden, wenn Ebenen verwendet werden, um die
Kontaktpunkte zu liefern. Außerdem
definieren die geneigten Seitenwände
des pyramidenförmigen
Hohlraums 22 genau die Position der sphärischen Linse 25 an den
Kontaktpunkten. Alternativ ist die Größe des pyramidenförmigen Hohlraums 22 derart,
daß die
sphärische Linse 25 die Öffnungskanten
des pyramidenförmigen Hohlraums 22 kontaktiert,
wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen
Hohlraum 22 sitzt.
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Nachdem
der pyramidenförmige
Hohlraum 22 an dem Befestigungsbauglied 21 gebildet
ist, wird die Photonenvorrichtung 23 dann an dem Befestigungsbauglied 21 befestigt.
Die Photonenvorrichtung 23 ist auf einer Metallanschlußfläche 24 befestigt,
die auf der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21 aufgebracht ist. Durch direktes
Befestigen der Photonenvorrichtung 23 auf dem Befestigungsbauglied 21 über die
Metallanschlußfläche 24 ist
die optische Achse 41 der Photonenvorrichtung 23 nahe zu
der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21. Dies bewirkt, daß die optische
Achse 41 der Photonenvorrichtung 23 eine relativ
niedrige Höhe
von der oberen Oberfläche 21a aufweist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die optische Achse 41 etwa 90 μm von der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21. Alternativ kann die optische
Achse 41 höher
oder niedriger als 90 μm
von der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21 sein.
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Die
Metallanschlußfläche 24 ist
auf einem vorbestimmten Bereich der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21 gebildet, das den photolithographischen
Prozeß verwendet
(d. h. Maskieren und Metallaufbringung durch die Maske). Dies bildet
die Metallanschlußfläche 24 in
einer vorbestimmten Position auf der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21. Die Metallanschlußfläche 24 liefert
einen elektrischen Kontakt für
die Photonenvorrichtung 23.
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Die
Höhe der
optischen Achse 41 beeinträchtigt den Strahlfreiraum zwischen
der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25.
Wenn die Höhe
der optischen Achse 41 relativ niedrig ist, kann es sein,
daß es
keinen Strahlfrei raum zwischen den beiden Komponenten 23 und 25 gibt.
Selbstverständlich
kann man versuchen, dieses Problem zu lösen, durch Erhöhen der
Höhe der
optischen Achse 41. Dies erzeugt jedoch viele andere Probleme.
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Um
einen Strahlfreiraum zwischen der Photonenvorrichtung 23 und
der sphärischen
Linse 25 zu liefern, wenn die optische Achse 41 der
Photonenvorrichtung 23 eine relativ niedrige Höhe aufweist,
ist die Photonenvorrichtung 23 auf dem Befestigungsbauglied 21 plaziert,
so daß eine
Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 einer
Ecke (d. h. der Ecke 45) des pyramidenförmigen Hohlraums 22 zugewandt
ist, wie es in 4 gezeigt
ist. Eine Diagonale der Öffnung 30 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22 ist ausgerichtet oder kolinear mit der optischen Achse 41 der
Photonenvorrichtung 23, während die andere Diagonale 42 der Öffnung 30 im
wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse 41 ist (siehe 4). Dies bewirkt, daß sich der
Lichtstrahlweg 43 zwischen der Photonenvorrichtung 23 und
der sphärischen
Linse 25 in den pyramidenförmigen Hohlraum 22 unter
der oberen Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21 erstreckt, ohne Strahlbehinderung
durch das Befestigungsbauglied 21. Anders ausgedrückt, ein
Lichtstrahlkanal wird an der Ecke 45 für den Lichtstrahlweg 43 erzeugt
(siehe 4 und 5). Dies ermöglicht es,
daß der
Lichtstrahl die sphärische
Linse 25 von der Photonenvorrichtung 23 erreicht
(oder umgekehrt), ohne irgendeine Strahlbehinderung, und somit eine
hohe optische Kopplungseffizienz erreicht.
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Es
sollte jedoch angemerkt werden, daß kein Lichtstrahlkanal erzeugt
wird, und eine Strahlbehinderung auftreten kann, falls eine Seite
anstatt einer Ecke der Öffnung 30 der
Vorderfläche 23a der
Photonenvorrichtung 23 zugewandt ist. 11A und 11B zeigen
einen solchen Fall. Wie es aus 11A und 11B ersichtlich ist, weist
ein pyramidenförmiger
Hohlraum 135 in einem Befestigungsbauglied 131 eine Seite
auf, die einer Photonenvorrichtung 132 zugewandt ist, die
auch an dem Befestigungsbauglied 131 befestigt ist.
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Aufgrund
der Divergenz des optischen Strahls geht der Lichtstrahlweg 136 zwischen
einer sphärischen
Linse 133 und der Photonenvorrichtung 132 unter
die obere Oberfläche
des Befestigungsbauglieds 131 und behindert teilweise den
Lichtstrahl. Weil das Siliziumsubstrat undurchlässig ist für Licht, behindert das Befestigungsbauglied 131 das Licht,
das in das Befestigungsbauglied 131 verläuft. Gleichartig
dazu, wenn die andere Seite der sphärischen Linse 131 in
dem pyramidenförmigen
Hohlraum 135 sitzt, erfährt
dieselbe die gleiche Lichtstrahlbehinderung, wie es in 11A und 11B gezeigt ist.
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Wie
es aus 3 bis 5 ersichtlich ist, durch Plazieren
der Photonenvorrichtung 23 derart, daß die optische Achse derselben 41 mit
einer Diagonale des pyramidenförmigen
Hohlraums 22 ausgerichtet ist, wird jedoch ein Lichtstrahlkanal
zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen
Linse 25 erzeugt, selbst wenn die optische Achse 41 eine
relativ niedrige Höhe
von der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 aufweist.
Obwohl der Lichtstrahlweg 42 unter die obere Oberfläche 21a des
Befestigungsbauglieds 21 geht, wie es in 3 bis 5 ersichtlich
ist, trifft derselbe nicht das Befestigungsbauglied 21,
weil derselbe durch den offenen Raum verläuft, der durch den pyramidenförmigen Hohlraum 22 bereitgestellt
wird.
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Um
den Strahlfreiraum an der anderen Seite des pyramidenförmigen Hohlraums 22 für die sphärische Linse 25 zu
liefern, ist eine V-förmige
Kerbe 31 an der Ecke gegenüberliegend der Ecke 45 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22 gebildet (siehe 3 und 4). Die Kerbe 31 wird
gebildet, wenn das Befestigungsbauglied 21 entlang dieser
Ecke von dem Wafer getrennt wird. In dem Fall, in dem das Befestigungsbauglied 21 in
einem Siliziumwafer hergestellt ist, kann der Wafer gesägt oder
geritzt werden, so daß die
Ecke entfernt wird und die Kerbe gebildet wird. Der Zweck des Bildens
der V-förmigen
Kerbe 31 ist das Erzeugen eines klaren und unbehinderten Lichtstrahlwegs 40 entlang
der optischen Achse 41, wie es in 4 und 5 gezeigt
ist. Alternativ können andere
Mechanismen verwendet werden, um den Strahlfreiraum zu liefern.
Beispielsweise kann ein anderer Hohlraum benachbart zu dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 gebildet
werden, so daß die
beiden Hohlräume
einander überlappen,
um die V-förmige Kerbe
zu bilden, wie es in 12 bis 14 gezeigt ist. 12 ist eine Draufsicht und 13 eine Querschnittseitenansicht. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel,
bei dem eine photolithographische Struktur in einem KOH-Ätzmittel
geätzt
wird, um einen Hohlraum zu bilden, der einen anderen überlappt,
um zu einer Kerbe 31 zu führen.
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Wie
es aus 12 bis 14 ersichtlich ist, überlappt
der pyramidenförmige
Hohlraum 4 den pyramidenförmigen Hohlraum 203,
um die Kerbe 206 zu bilden. Die Form des Hohlraums 204 ist
im wesentlichen identisch mit der des Hohlraums 203. Überlappenden
pyramidenförmige
Hohlräume
werden erzeugt von getrennten „dreieckartigen" photolithographischen
Anfangsstrukturen. Während
das KOH-Ätzen
fortschreitet werden die Anfangsstrukturen unterätzt und beginnen, sich zu überlappen,
wobei der Grad der Überlappung
gesteuert werden kann durch die Form der Anfangsstruktur und die
Länge des Ätzens. Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Größe des Hohlraums 204 etwas
kleiner als diejenige des Hohlraums 203. Alternativ kann
die Größe des Hohlraums 204 größer oder
kleiner sein als diejenige des Hohlraums 203.
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Wie
es aus 13 ersichtlich
ist, liefert die Kerbe 206 den Strahlfreiraum für den Strahlweg 212. Wie
aus 14 ersichtlich ist,
wird der Hohlraum 204 zuerst durch anisotropes Ätzen in
dem Befestigungsbauglied 201 gebildet, und der Hohlraum 203 wird dann
anisotrop zu dem Hohlraum 204 geätzt, was bewirkt, daß die beiden
Hohlräume 203–204 überlappen,
wodurch die Kerbe 206 gebildet wird. Alternativ kann die
Kerbe 206 gebildet werden, indem zunächst der Hohlraum 203 gebildet
wird. Der Hohlraum 204 wird dann gebildet, um den Hohlraum 203 zu überlappen.
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Die
Photonenvorrichtung 23 ist an einem vorbestimmten Abstand
von dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 positioniert,
so daß die
Mitte 30a der Öffnung 30 an
dem Brennpunkt der Photonenvorrichtung 23 liegt. Anders
ausgedrückt,
der Abstand zwischen der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 und
dem pyramidenförmigen
Hohlraum 22 ist eingestellt, so daß die sphärische Linse 25 das
Licht zu oder von der Photonenvorrichtung 23 optisch koppeln
kann. Die vier Kanten der Öffnung 30 sind
weder parallel noch senkrecht zu der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23.
Statt dessen ist jede derselben in einem ungefähr 45°-Winkel mit der Vorderfläche 23a der
Photonenvorrichtung 23. Alternativ kann der Winkel größer oder
kleiner als 45° sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der vorbestimmte Abstand derart, daß die nächste Oberfläche der
sphärischen
Linse 25 zu der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 innerhalb
60 μm von
der Vorderfläche 23a der
Photonenvorrichtung 23 liegt. Dieser Abstand gilt für viele
Anwendungen, insbesondere wo Licht kollimiert werden soll. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel
kann der Abstand innerhalb 10 μm
sein. Alternativ kann der Abstand kürzer oder länger sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Photonenvorrichtung 23 ein Halbleiterlaser. Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die Photonenvorrichtung 23 ein kantenemittierender
Halbleiterlaser. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Photonenvorrichtung 23 ein
Photodetektor. In diesem Fall kann der Photodetektor ein oberflächenerfassender Photodetektor
oder ein kantenerfassender Photodetektor sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Metallanschlußfläche 24 eine
Gold- oder Aluminiumschicht. Bei alternativen Ausführungsbeispielen
können
andere elektrisch leitfähige
Materialien verwendet werden, um die Metallanschlußflächen 24 zu
bilden.
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Die
Photonenvorrichtung 23 ist durch bekannte Einrichtungen
an der Metallanschlußfläche 24 befestigt.
Beispielsweise kann die Photonenvorrichtung 23 durch Löten mit
der Metallanschlußfläche 24 verbunden
werden. Alternativ kann ein leitfähiges Epoxid verwendet werden,
um die Photonenvorrichtung 23 auf der Metallanschlußfläche 24 zu
verbinden. Darüber
hinaus kann die Photonenvorrichtung 23 zuerst auf die Metallanschlußfläche 24 gelötet werden.
Dann können
die Luftzwischenräume
zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der Metallanschlußfläche 24 durch
das leitfähige
Epoxid gefüllt werden.
Eine bekannte texturierte Kaltschweißtechnik kann auch verwendet
werden, um die Photonenvorrichtung 23 mit der Metallanschlußfläche 24 zu verbinden.
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Die
sphärische
Linse 25 ist in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 verbunden,
nachdem dieselbe in den pyramidenförmigen Hohlraum 22 gesetzt
wurde. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird Klebstoff verwendet, um die sphärische Linse 25 in dem
pyramidenförmigen
Hohlraum 22 zu verbinden. Alternativ können andere Haftmaterialtypen
verwendet werden, um die sphärische
Linse 25 in dem Hohlraum 22 zu verbinden. Beispielsweise
kann Epoxid verwendet werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Brechungsindex der sphärischen
Linse 25 etwa 1,5. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Brechungsindex
der sphärischen
Linse 25 höher
als 1,5 sein. Beispielsweise kann der Brechungsindex der sphärischen
Linse 25 2,0 sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der pyramidenförmige
Hohlraum 22 im wesentlichen eine vierseitige Pyramide (in 3 und 4 gezeigt). Alternativ kann der pyramidenförmige Hohlraum 22 andere
Formen aufweisen. Beispielsweise kann der pyramidenförmige Hohlraum 22 eine
abgeschnittene vierseitige Pyramide sein (wie es in 6 gezeigt ist). 6 zeigt das Befestigungsbauglied 21 mit
einem abgeschnittenen pyramidenförmigen
Hohlraum 22a. Wie es aus 6 ersichtlich
ist, verbindet eine flache untere Oberfläche 32a alle Seitenwände (z.
B. die Seitenwände 32a und 33a)
des pyramidenförmigen Hohlraums 22.
Die untere Oberfläche 32a ist
nicht in Kontakt mit der sphärischen
Linse 25, wenn die sphärische
Linse 25 in dem Hohlraum 22a sitzt. In diesem Fall
sind die Seitenwände
des pyramidenförmigen Hohlraums 22 keine
dreieckigen Seitenwände.
Statt dessen sind die Seitenwände
trapezförmig
und sind durch die flache Unteroberfläche 32a verbunden.
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Außerdem kann
die Öffnung 30 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 22, die in 3 bis 5 gezeigt ist, andere Formen
aufweisen. Die Öffnung 30 kann beispielsweise
eine quadratische Öffnung
sein, wobei eine oder mehrere Ecken des pyramidenförmigen Hohlraums 22 abgeschnitten
sind.
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7 und 8 zeigen einen anderen Typ von pyramidenförmigem Hohlraum 72,
der auf einem Befestigungsbauglied 71 gebildet ist, zum
Befestigen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen
Linse 25 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. 7 ist
eine Draufsicht des Befestigungsbauglieds 71 und 8 ist eine Seitenquerschnittsansicht
entlang einer optischen Achse 81 der Photonenvorrichtung 23.
Wie es aus 4 bis 5 und 7 bis 8 ersichtlich
ist, ist der pyramidenförmige
Hohlraum 72 identisch mit dem pyramidenförmigen Hohlraum 22,
außer
daß der
pyramidenförmige
Hohlraum 72 eine abgeschnittene Ecke 75 und eine
flache Unterseite 73 aufweist. Diese Form ist vorteilhaft,
wenn der Brennabstand kürzer
ist als der Linsen-Ecke-Abstand.
Alternativ kann der pyramidenförmige
Hohlraum 72 nur die abgeschnittene Ecke 75 aufweisen.
Die abgeschnittene Ecke 75 ermöglicht es, daß die Photonenvorrichtung 22 näher zu der
sphärischen
Linse 25 plaziert werden kann als der pyramidenförmige Hohlraum 22.
Die unterschiedlichen Abstände
zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen
Linse 25, die durch die pyramidenförmigen Hohlräume 22 und 72 vorgesehen sind,
sollen unterschiedliche Entwurfsziele unterbringen, die unterschiedliche
Brechungs indizes und Größen verwenden,
die die sphärische
Linse 25 haben kann.
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Es
ist anzumerken, daß nicht
alle der Komponenten des Photonenmoduls 20 in 3 bis 8 gezeigt sind. Dies ermöglicht es,
daß Teile
des Photonenmoduls 20 klarer gezeigt werden. Beispielsweise zeigt 3 nicht die sphärische Linse 25 optisch
mit einer optischen Faser gekoppelt.
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9 und 10 stellen den Prozeß des Ätzens eines kristallinen <100> Substrats 90 dar,
um einen pyramidenförmigen
Hohlraum 91 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu bilden. 9 ist
eine Draufsicht des Halbleitersubstrats 90 und 10 ist eine Seitenquerschnittsansicht
entlang der Linie 10-10 von 9.
Wie es von 9 und 10 ersichtlich ist, ist die
obere <100> Oberfläche des
Halbleitersubstrats 90 durch eine im wesentlichen dreieckige Öffnung 92a in
einer Photowiderstandsschicht 100 freigelegt (in 10 gezeigt) zum Ätzen des
pyramidenförmigen
Hohlraums 91. Die dreieckige Öffnung 92a wird photolithographisch
auf der photoresistiven Schicht 100 entlang der kristallographischen <100> Achse 120 des
Substrats 90 gebildet. Die beiden Kanten 93 und 94 der
dreieckigen Öffnung 92a liegen
auf den beiden kristallographischen <111> Ebenen
des Substrats 90. Alternativ kann die im wesentlichen dreieckige Öffnung 92a wie ein
Quadrat mit einer abgeschnittenen Ecke aussehen.
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Das
Substrat 90 wird dann durch die Öffnung 92a anisotrop
geätzt,
beispielsweise unter Verwendung des KOH-Ätzmittels. Die Geschwindigkeit
der anisotropen Ätzung
kann beispielsweise 1000 zu 1 sein, um zu einer vertikalen Wand
(z. B. den Wänden 112–112b in 10) zu führen, die sich horizontal unter
der photoresistiven Schicht 100 erstrecken, parallel zu
der Hypotenuse der dreieckigen Öffnung 92a.
Die Ätzrate
des Drückens
der vertikalen Wand ist etwa gleich wie die vertikale Ätzrate.
Das Ätzen wird
schließlich
von selbst in dem Hohlraum 91 angehalten, wenn die vertikale Wand 112 verschwindet. Zu
diesem Zeitpunkt hat der pyramidenförmige Hohlraum 91 eine
quadratische Öffnung 92 mit
allen vier Seitenwänden
definiert durch die kristallographischen <111> Ebenen.
Wenn das anisotrope Ätzen bei
einer früheren
Stufe des Ätzprozesses
angehalten wird, wird der pyramidenförmige Hohlraum 91 gebildet,
um eine abgeschnittene Ecke aufzuweisen, die durch die vertikale
Wand 112 (in 10 gezeigt) gebildet
wird. Außerdem
kann der pyramidenförmige Hohlraum 91 geätzt werden,
um eine flache untere Oberfläche 111 aufzuweisen. 10 zeigt unterschiedliche
Stufen des anisotropen Ätzens.
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Wie
es aus 9 und 10 ersichtlich ist, kann abhängig von
den Ätzbedingungen
der pyramidenförmige
Hohlraum 91 die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 22 von 3 bis 5 die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 22a von 6 oder die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 72 von 7 und 8 aufweisen. Der pyramidenförmige Hohlraum 91 nimmt
die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 22 der 3 bis 5 an, wenn der pyramidenförmige Hohlraum 91 vollständig geätzt ist.
Wenn das Ätzen
endet, bevor der pyramidenförmige
Hohlraum 91 vollständig
geätzt
ist, kann der pyramidenförmige
Hohlraum 91 die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 72 von 7 und 8 annehmen.