DE69737474T2

DE69737474T2 - Verfahren und system zur koppelung eines wellenleiters an eine komponente

Info

Publication number: DE69737474T2
Application number: DE69737474T
Authority: DE
Inventors: Lennart BÄCKLIN; Ylva BÄCKLUND; Hakan Elderstig; Stefan Lindgren; Odd Steijer
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: CN1222800C; JP2000503130A; AU1563197A; JP3731754B2; EP0876633A1; CN1209880A; HK1017083A1; DE69737474D1; EP0876633B1; US5774609A; KR19990077128A; SE506991C2; SE9600292D0; KR100446086B1; WO1997027507A1; SE9600292L; TW339413B

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Koppeln eines Wellenleiters mit einer lichterzeugenden oder lichterfassenden Komponente, wie etwa zum Koppeln einer optischen Faser mit einem optischen Chip.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Optische Komponenten, die für Telekommunikationszwecke gedacht sind, sind aufwändig. Ein beträchtlicher Teil der Kosten zum Herstellen einer optischen Komponente kann auf die Kopplung bezogen werden, die zwischen einem optischen Chip, der lichtemittierenden oder lichterfassenden Komponente und einer optischen Faser, dem Wellenleiter, hergestellt wird. Dem Kriterium "Komponentenausrichtung" werden äußerst hohe mechanische Anforderungen auferlegt, wobei die erforderliche Präzision in dieser Hinsicht in der Größenordnung von 1/1000 mm liegt. Fortgeschrittene Montageverfahren und hochwertige Präzisionsmechanik mit Elementen, die aus speziellen Legierungen hergestellt sind, werden benötigt, um diese Anforderung zu erfüllen, was sich in den Kosten widerspiegelt.
Herstellung kann durch Verwenden kleiner Siliziumplatten als mikromechanische Substratträger vereinfacht werden. Silizium hat viele Vorteile, die die einzigartige Möglichkeit einer Herstellung mikromechanischer Strukturen vorsehen, die für Ausrichtungszwecke verwendet werden können. Die Träger können parallel verarbeitet werden, wobei damit ermöglicht wird, dass viele "Trägerchips" aus einer Siliziumplatte erhalten werden, was zu geringen Herstellungskosten führen kann. Silizium hat auch äußerst effektive elektrische und thermische Eigenschaften, die zum Erreichen funktionaler Montage des optischen Chips notwendig sind. Schließlich gibt es reiche Erfahrung hinsichtlich Siliziumverarbeitung, wie etwa Elektrodenstrukturierung und elektrische Kopplungstechniken.
Es wurde eine große Zahl von Konzepten und Vorschlägen hinsichtlich geeigneter Geometrie zum Lösen des Optochip-Wellenleiter-Ausrichtungsproblems hervorgebracht. Viele dieser Konzepte und Vorschläge nutzen sogenannte V-Rillen (V-grooves) in Silizium zum Positionieren optischer Fasern in gewünschten Stellen. Anisotropische Ätzverfahren bieten extrem gute Abmessungssteuerung der V-Rillen, wobei der Winkel, dem die Wände der V-Form gegenüberliegen, durch Kristallebenen in dem Silizium definiert wird. Für [100]-Silizium, wobei [100] Kristallausrichtung in Bezug auf den normalen Vektor einer Siliziumplatte bezeichnet, ist es möglich, eine geeignete V-Rille mit einem Wandwinkel α = arcsin √2/3 ≈ 54,7 Grad zu erhalten. Dieser Winkel wird auch in dem Ende der Rille erhalten. Durch Metallisieren des Endes der Rille kann Licht von einer optischen Faser, die in der V-Rille platziert ist, auf einen Lichtdetektor reflektiert werden. Umgekehrt kann Licht von einer lichtemittierenden Komponente in die optische Faser geführt werden.
Montage eines optischen Chips ist eine Kunst in sich selbst, da der Chip optisch, elektrisch, mechanisch und thermisch zur gleichen Zeit verbunden wird. Ausrichtung kann auf mehreren unterschiedlichen Wegen erreicht werden. Das häufigste Verfahren ist Selbstausrichtung mit Lötmittel, passive Ausrichtung mit mechanischem Gegendruck oder Anstoßflächen, oder ein Bestückungsverfahren.
Das erste Verfahren nutzt die Oberflächenspannungskräfte, die in metallischem Lötmittel greifbar werden. Mit der Hilfe gut definierter, benachbarter und mit Lötmittel benetzbarer Oberflächen auf sowohl dem optischen Chip als auch dem Träger sind die Oberflächenspannungskräfte in dem geschmolzenen Lötmittel in der Lage, den optischen Chip zu einer gewünschten Position auf dem Träger zu bringen. Während die Temperatur fällt, verfestigt sich das Lötmittel und fixiert den optischen Chip in seiner richtigen Position.
Das zweite Verfahren beruht auf einer Positionierung des optischen Chips in einer gewünschten Position mit der Hilfe von mikromechanischem Gegendruck oder Anstoßflächen auf dem Träger. Diese Flächen können aus Siliziumdioxid hergestellt werden, die auf dem Träger abgelagert und danach gestaltet werden, um eine Ecke zu bilden, in die der optische Chip passt. Gute Steuerung der Position der Ecke in Bezug auf den Wellenleiter und die aktive Fläche des optischen Chips in Bezug auf seine äußere Geometrie ermöglicht, dass gute Ausrichtung erreicht wird.
Dieses letztere Verfahren nutzt Ausrichtungsmarkierungen auf dem Träger und dem optischen Chip. Diese Ausrichtungsmarkierungen ermöglichen, dass die Komponenten in einem gemeinsamen Koordinatensystem mit hoher Präzision ausgerichtet werden. Um die Komponenten anschließend zusammenzubauen, ist ein hochklassiger mechanischer Prozess erforderlich, der ermöglichen wird, dass die Komponenten in dem gemeinsamen Koordinatensystem auf eine vorbestimmte Art und Weise bewegt werden. Alle drei Verfahren erfordern Montagegenauigkeit in dem Mikrometerbereich. Details, die am Rand dieser Verfahren liegen, werden in dieser Literaturstelle nicht erörtert, obwohl ihr Vorhandensein eine Voraussetzung der Tauglichkeit des im folgenden beschriebenen Konzeptes ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um eine rechtwinklige Geometrie, wenn oberflächenemittierende oder oberflächenerfassende Komponenten verwendet werden, und einen verringerten optischen Bewegungspfad und genaue Fixierung einer optischen Faser zu erhalten, wurde eine reflektierende Fläche, die sich in einem Winkel von 45 Grad neigt, zwischen dem lichtleitenden Kern und der aktiven Fläche eines optischen Chips angeordnet. Der lichtleitende Kern wurde durch Abschrägen der optischen Faser veranlasst, näher zu der reflektierenden Fläche zu liegen, und wird damit auch angepasst, zwischen eine V-Rille und eine flache Abdeckung für eine genaue Fixierung der Faser zu passen. Die reflektierende Fläche wird durch eine vertikale Wand unterbrochen, die in einer Höhe angeordnet ist, die unter der des Kerns ist und die Kante der Rille bildet, wobei sie dadurch als ein Wellenleiteranstoßmittel dient. Die zuvor erwähnten Lösungen beziehen sich im wesentlichen auf Probleme geometrischer Natur, sehen aber im Vergleich mit früher bekannten Techniken hinsichtlich Raum, Signalübertragungsleistungsverhalten und Herstellungskosten wesentliche Vorteile vor, ähnlich zu der Anordnung optischer Komponenten in sogenannten optischen Mikrostrukturierungstechniken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A veranschaulicht von oben einen Siliziumträger einer optischen Faser mit einer V-förmigen Rille in Übereinstimmung mit bekannten Techniken.
1B veranschaulicht von oben einen Siliziumträger einer optischen Faser und einen optischen Chip, der in einer Rille platziert ist, in Übereinstimmung mit bekannten Techniken.
1C ist eine Querschnittsansicht einer optischen Faser mit einem lichtleitenden Kern und platziert in einer V-Rille in Übereinstimmung mit einer bekannten Technik.
1D ist eine Seitenansicht der Verbindung einer optischen Faser mit einem optischen Chip in Übereinstimmung mit 1B.
2A ist eine Seitenansicht eines Siliziumträgers für eine Verbindung einer optischen Faser, mit einem Abdeckungsmittel, einer Rille und einem optischen Chip mit einer aktiven Fläche in Übereinstimmung mit der Erfindung.
2B ist eine Querschnittsansicht einer D-Faser zwischen einem Abdeckungsmittel und einer Rille, in Übereinstimmung mit der Erfindung.
2C veranschaulicht einen Siliziumträger einer optischen Faser von oben, und zeigt ein Abdeckungsmittel, eine Rille und einen optischen Chip in Übereinstimmung mit der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A-1D veranschaulichen eine Kopplung eines optischen Chips in Übereinstimmung mit einer früheren bekannten Technik. Ein Trägermaterial 2, das Silizium sein kann, wurde mit einer V-Rille 3 versehen; siehe 1A. Es wurde eine optische Faser 4 in die Rille platziert, und es wurde ein optischer Chip 1 über das freie Ende der optischen Faser platziert; siehe 1B. Wenn im Querschnitt gesehen, liegt ein Teil der optischen Faser 4, die in die V-Rille 3 platziert ist, außerhalb der Rille und des Trägermaterials; siehe 1C.
Wie in 1D gezeigt, ändert sich die Richtung des Lichts um ungefähr 110 Grad anschließend zu einer Reflexion in einem Spiegel 5 auf dem Trägermaterial. Folglich muss diese Tatsache berücksichtigt werden, um genaue Positionierung des Chips/Detektors 1 zu erreichen. Andererseits ist dies für eine lichtemittierende Komponente nicht ausreichend. Dies ist so, da die numerische Apertur (Akzeptanzwinkel) einer Faser nicht erlauben wird, dass z.B. übermäßig schräge einfallende Lichtwinkel in eine Einzelmodusfaser gekoppelt werden. Folglich wäre eine rechtwinklige Geometrie basierend auf einem 45-Grad-Spiegel wünschenswert. Dies kann durch Verwenden eines "schräg gesägten" [100] Siliziumblocks an Stelle eines "typischen" [100] Silizium erreicht werden. In der Praxis werden derartige sogenannte Wafer durch schräges Sägen eines Siliziumblocks, genauer in einem Winkel von 9,7 Grad, erhalten. Falls dies richtig geschieht, wird der Spiegel, der früher bei 54,7 Grad geneigt war, nun bei 45 Grad (54,7-9,7) geneigt sein. Ein anderes Merkmal, das aus 1D augenscheinlich ist, besteht darin, dass die optische Wellenlänge zwischen einem lichtleitenden Kern 6 und einer aktiven Detektorfläche relativ lang ist, was einen nachteiligen Effekt auf die Kopplungseffizienz haben kann. Dies wird teilweise deswegen verursacht, da der untere Teil 8 der optischen Faser die Wand des Spiegels berührt, was bewirkt, dass Licht zuerst zu dem Spiegel abgegeben wird, und teilweise deswegen, dass um den Detektor zu erreichen, das Licht dann entlang eines Weges passieren muss, dessen Länge einem Faserradius entspricht.
Der Abstand zwischen einer optischen Faser 9 und einer aktiven Fläche 10 auf einem optischen Chip 11 kann durch Reduzieren eines ersten Teils des Abstands verringert werden, durch "Ausklammern" eines Spiegels 12 auf einem Trägermaterial 13 mit einer "vertikalen" Wand 14; siehe 2A. Dies wird zweckdienlich durch Sägen erreicht. Der untere Teil des Spiegels 12 wird mit der gleichen Technik vollständig weggesägt wie der, die verwendet wird, um mikroelektronische Chips zu trennen, wobei die vertikale Wand 14 in dem Boden 15 einer Rille beginnen und unmittelbar unter einem Faserkern 16 in der optischen Faser 9 terminieren kann. Der Abstand zwischen dem Faserkern und einem Reflexionspunkt 17 in dem Spiegel kann auf ungefähr 10 Mikrometer begrenzt werden. Die vertikale Wand 14 kann auch als eine Anstoßfläche einer optischen Faser dienen, wobei damit eine Montage der Faser unterstützt wird.
Der zweite Teil des Abstands kann durch Verwenden einer Faser verringert werden, deren äußerer Durchmesser kleiner als normal ist, was bedeutet, dass der Durchmesser kleiner als 125 Mikrometer ist. Da es dennoch möglich sein muss, die Faser zu handhaben, kann der äußere Durchmesser oder die Abmessung nicht kleiner als 60-80 Mikrometer sein. Die Gesamtwellenlänge zwischen dem Kern 16 und der aktiven Fläche 10 wird deshalb etwas länger als ungefähr 70-90 Mikrometer sein.
Mit der Absicht einer weiteren Verringerung des Abstands kann die Faser 9 auf die Art und Weise einer so genannten D-Faser abgeschrägt sein; siehe 2B. Die D-Faser ist im Prinzip eine typische Einzelmodusfaser, obwohl mit einem D-förmigen Querschnitt, wobei der Kern 16 nahe zu einer flachen Seite 18 der ursprünglichen kreisförmigen Faser liegt. Diese besondere Faserform wird durch Sägen einer Schleife, d.h. des "Glasstabs", der das ursprüngliche Fasermaterial bildet, entlang ihrer Länge in einem geeigneten Abstand von dem Kern erhalten. Die Faser behält die Proportionen der Vorform, wenn die Faser geschichtet wird. Dies ermöglicht, eine Faser zu erzeugen, in der der Abstand zwischen der flachen Seite und der Kernmitte sehr kurz ist, kleiner als 10 Mikrometer. Durch Montieren einer D-Faser in einer V-förmigen Rille 9 mit der flachen Seite 18, wobei die D-Faser aufwärts zeigt, kann die Gesamtwellenlänge, Faser zu optischem Chip, unter 20 Mikrometer gehalten werden.
Etwas, was aus 1A-D nicht augenscheinlich ist, ist die Schwierigkeit, die bei einer Platzierung einer optischen Faser in einer V-Rille erfahren wird, wobei die optische Faser im Anstoß mit den Wänden der Rille bleibt. Die optische Faser wird gewöhnlich in der V-Rille geklebt. Der Kleber tendiert jedoch dazu, die Faser aus ihrer Position anzuheben, mit einem negativen Effekt auf die gewünschte Montagegenauigkeit. Folglich wäre die Verwendung eines Hilfsmittels wünschenswert, um die Faser in Position während des Klebeprozesses zu halten. Ein derartiges Hilfsmittel kann die Form eines Abdeckungsmittels oder Deckels 20 haben, das/der über dem Trägermaterial gesichert ist, wie etwa dem Siliziumträger 13, derart, dass die V-Rille 19 und das Abdeckungsmittel 20 gemeinsam einen Raum mit dreieckigen Kapillaren 21 bilden, wobei die optische Faser genau passt und deshalb nicht in der Lage ist, ihrer Position während des Klebeprozesses zu ändern; siehe 2B. 2C veranschaulicht von oben die optische Faser 9, die in einer Position durch das Abdeckungsmittel 19 fixiert und mit dem optischen Chip 11 gekoppelt ist.
Das Abdeckungsmittel 20 kann zweckdienlich durch anodisches Ronden vorgesehen werden. Eine anodische Bindung wird bewirkt, indem ein Substratträger und ein Abdeckungsmittel gemeinsam platziert werden, was aus Silizium oder transparentem Glas hergestellt sein kann, der Aufbau erwärmt wird und ein elektrisches Potenzial angelegt wird. Mobile Ionen erzeugen eine hohe Feldstärke über einer Verbindungsstelle, wobei die elektrostatischen Kräfte zu einer Erstellung dauerhafter Bindungen in einem atomischen Maßstab beitragen. Die Stärke der Verbindungsstelle ist mit einer starken Kleberverbindungsstelle vergleichbar. Ronden wird vorzugsweise auf einer sogenannten Waferebene bewirkt, wonach getrennte Träger von dem Wafer abgesägt werden können. Der Träger-/Abdeckungsaufbau ist konfiguriert zu ermöglichen, dass gewisse Teile der Abdeckung weggesägt werden können, um so eine geeignete Montagefläche eines optischen Chips bereitzustellen. Die Kombination von dreieckigen Kapillaren 21 und der D-Faser ist besonders geeignet, da es anderenfalls schwierig ist sicherzustellen, dass die D-Faser mit ihrer flachen Seite aufwärts angebracht wird, da die D-Faser mit der V-Rillenkapillare nur passen wird, wenn richtig positioniert.
Die zuvor beschriebenen Lösungen stellen eine optische Mikrostruktur bereit, die akkurat befestigt wird, eine kurze optische Wellenlänge hat und zum Montieren in lichtemittierenden oder lichterfassenden optischen Chips, die an Siliziumträgern montiert werden, besonders geeignet ist.

Claims

Anordnung zur Koppelung eines Wellenleiters (9) an eine Licht ausstrahlende oder Licht wahrnehmende Komponente (11), so wie zur Koppelung einer optoelektronischen Fiber an einen optoelektronischen Chip, die einen Wellenleiter, ein Trägersubstrat (13), das mit einer Rille (19) für den Wellenleiter versehen ist, eine Licht wahrnehmende oder Licht ausstrahlende Komponente (11) auf dem Trägersubstrat (13) hat, wobei das Substrat eine abgeschrägte reflektierende Oberfläche (12) für die Lichtübertragung zwischen dem Wellenleiter (9) und der Licht wahrnehmenden oder Licht ausstrahlenden Komponente hat, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche (12) unter der Komponente (11) mit einer Schräge in einem Winkel von 45 Grad nach vorne vor dem Wellenleiter (9) angeordnet ist; dass die reflektierende Oberfläche (12) durch eine vertikale Wandoberfläche (14) unterbrochen ist, die in einer Höhe, welche unter der des Kerns (16) des Wellenleiters ist, angeordnet ist, dabei das Ende der Rille bildend und als ein Wellenleiter-Widerlager dient, wenn der Wellenleiter (9) in der Rille (19) montiert ist; und dass der Wellenleiter (9) aus einem D-förmigen Querschnitt besteht und so liegt, dass die flache Seite aus der Rille nach außen zeigt, so dass der Kern (16) des Wellenleiters relativ nahe an der reflektierenden Oberfläche (12) und an einer aktiven Oberfläche (10) der Komponente (11) liegt, wenn der Wellenleiter (9) an besagte Komponente (11) gekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (19) eine V-förmige Rille ist und einen Rillenboden (15) hat, der sich zwischen der V-förmigen Rille (19) und der reflektierenden Oberfläche (12) befindet.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abdeckmittel (20) angeordnet ist, um den Wellenleiter (9) zwischen dem Abdeckmittel (20) und der V-förmigen Rille (19) in dem Trägersubstrat (13) zu fixieren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (9) eine D-Fiber ist.
Methode der Koppelung eines Wellenleiters (9) an eine Licht ausstrahlende oder Licht wahrnehmende Komponente (11), so wie die Koppelung einer optoelektronischen Fiber an einen optoelektronischen Chip, worin eine Licht ausstrahlende oder Licht wahrnehmende Komponente (11) auf einem Trägersubstrat (13) angeordnet ist und besagtes Trägersubstrat (13) mit einer Rille (19) für den Wellenleiter (9) und einer abgeschrägten reflektierenden Oberfläche (12) für die Lichtübermittlung in der Rille versehen ist, so dass die flache Seite des Wellenleiters aus der Rille nach außen zeigt und das Ende des Wellenleiters an die vertikale Oberfläche anstößt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Anordnen der besagten Oberfläche unter der Komponente (11) mit einer Schräge in einem Winkel von 45 Grad nach vorne vor dem Wellenleiter (9); Anordnen einer vertikalen Wand (14), die von der reflektierenden Oberfläche (12) in einer Höhe, die unter der des Kerns (16) des Wellenleiters ist, abgeschnitten ist, und dadurch ein Wellenleiter- Widerlager bereitstellt, wenn der Wellenleiter (9) in der Rille (19) montiert ist; Montieren eines Wellenleiters (9) mit einem D-förmigen Querschnitt in der Rille, so dass die flache Seite des Wellenleiters aus der Rille nach außen zeigt und das Ende des Wellenleiters an die vertikale Oberfläche angrenzt; und Anordnen der reflektierenden Oberfläche (12) zwischen dem Wellenleiter (9) und der Komponente (11), so dass der Kern (16) des Wellenleiters (9), wenn er montiert ist, relativ nahe zu der reflektierenden Oberfläche (12) und einer aktiven Oberfläche (10) der Komponente (11) liegt.
Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (9) abgeschrägt wird, um eine D-Fiber bereitzustellen.
Methode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine V-förmige Rille (19) vorgesehen ist, um die D-Fiber (9) zu empfangen; und Fixieren der D-Fiber (9) in einer Position in der V-förmigen Rille (19), wobei der D-förmige Querschnitt es möglich macht, dass die D-förmige Fiber (9) gegen die V-förmige Rille (19) mit der Hilfe eines Abdeckmittels (20) gehalten wird.