DE8525398U1

DE8525398U1 - Einrichtung zur Positionierung eines Halbleiterlasers mit selbstjustierender Wirkung für eine anzukoppelnde Glasfaser

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Publication number: DE8525398U1
Application number: DE19858525398
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-09-05
Filing date: 1985-09-05
Publication date: 1988-12-15

Description

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Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen

Berlin und München VPA 85 P 1 6 O 6 DE

Einrichtung zur Positionierung eines Halbleiterlasers mit selbstjustierender Wirkung für eine anzukoppelnde Glasfaser

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tung nach dem Oberbegriff des nspruches 1.

Für nachrichtentechnische Übertragung werden einerseits Glasfaserleitungen und andererseits optische Strahlung erzeugende Halbleiterelemente verwendet, wobei besonderes Interesse an der Verwendung von L&serdioden besteht. Bekanntermaßen erzeugen Laserdioden relativ scharf gebündelte Strahlung. Der Querschnitt der Strahlungs-Austrittsfläche auf der Oberfläche des Halbleiterköipers, in dem diese Laserstrahlung nach bekanntem Prinzip erzeugt wird, ist vergleichsweise klein und hat eine (verallgemeinert als Durchmesser angesprochene) Abmessung von wenigen pm. Da die verwendete Glasfaserleitung einen für die Fortpflanzung der Strahlung wirksamen Querschnitt vergleichbarer Abmessung besitzt, bedarf es erheblichen Aufwandes für genügend genaue Justierung des Eintrittsquerschnittes der Glasfaserleitung und einer Laserdiode zueinander. Nur bei Einhaltung genügend kleiner Toleranzen von wenigen pm für die Justierung ist eine gute Einkopplung der Laserstrahlung in die Glasfaserleitung zu gewährleisten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung mit selbstjustierender Wirkung für die Positionierung eines Halbleiterlasers und einer Glasfaser zueinander

BtS 1 Kow / 3.9.1985

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrich- j

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anzugeben. Insbesondere soll diese Einrichtung so ausgebildet sein, daß Temperatureffekte die Justierung nicht merklich beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der vorliegenden Erfindung liegt als ein Ausgangspunkt der Gedanke zugrunde, für einen Justierkörper eine solche Form vorzusehen und solches Material zu verwenden, das spezifische Eigenschaften hat, die geeignet sind, am Justierkörper aus diesem Material Flächen zu erzeugen, die zur exakten Positionierung herangezogen werden können. Für die Erfindung verwendet man aus diesem Grunde für einen derartigen Körper der erfindungsgemäßen Einrichtung ein als Kristall vorliegendes Halbleitermaterial. Durch selektive Ä'tzung werden an dem Körper solche Positionierflächen erzeugt, die orientierte Kristallflächen sind. Zum Beispiel ist hierfür Silizium zu verwenden, vorzugsweise als Einkristall.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, in dem Justierkörper aus Halbleitermaterial eine V-Nut durch maskierte, selektive A'tzung herzustellen. Zum Beispiel wird in einem Silizium-Kristallkörper mit 100-orientierter Oberfläche eine V-Nut eingeätzt, für deren Seitenflächen sich 111-Flächen des Kristalls ergeben. Die beiden V-orientiert zueinander stehenden 111-Flächen bilden exakt und ohne daß dazu besonderer technologischer Aufwand erforderlich wäre, einen Winkel ß von 70.52° zueinander. Zum Beispiel ist dies ein Winkel, der sich gut dafür eignet, in dieser V-Nut bzw. zwischen deren 4ll)-Seitenf lachen, eine Glasfaser auf zu-

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nehmen. Die Tiefe der V-Nut und der vorgegebene Durchmesser der Glasfaser werden relativ zueinander so bemessen, daß die in diese Nut eingelegte Glasfaser eine außerordentlich exakte x-y-Pösitiöhierung fur die Läge des für die Ankopplung entscheidenden Faserkernes hat. Mit diesen Gedanken und Merkmalen erschöpft sich die Erfindung jedoch noch nicht.

Der Erfindung liegt nämlich weiter der Gedanke zugrunde, Maßnahmen zu finden, mit denen auch der Halbleiterchip des Halbleiterlasers, und zwar bezogen auf die V-Nut, zu positionieren ist. Für zwei der Alternativen von Konkretisierungen dieses Teils des gesamten Erfindungsgedankens erweist sich der Umstand als günstig, daß Halbleiterlaser so aufgebaut sein können, daß der Laserchip auf einem Substratkörper einen Steg aus mehrfach übereinanderliegend aufgebrachten Epitaxieschichten hat. Einer günstigen Realisierung der geometrischen Form eines Halbleiterlasers kommt eine solche Form entgegen, bei der schräg zueinander stehende Flächen des Steges auftreten. Zum Beispiel kann man einen Laserchip der Figur 1 der US-PS 4 352 187 mit Mesasteg vorsehen. Geht man z.B. von einer 100-Oberflache des Laserchips aus, so lassen sich sehr leicht 111-Flankenflächen des Mesasteges herstellen. Ein solcher Mesasteg bekannter Laserdioden hat wahlweise 5 bis 50 &mgr;&pgr;&igr; Höhe. Die Basisbreite des Mesasteges kann durch Fotoresisttechnik sehr exakt eingestellt werden und kann auch gleich der Gesamtbreite des Chips sein, und zwar ohne daß dies während des an sich bekannten Herstellungsverfahrens des Laserchips nach den Prinzipien der Epitaxie irgendwelche besondere Technologie erfordern würde.

Die eine der oben angesprochenen Alternativen ist, daß der Mesasteg identisch mit dem aktiven Mesasteg der Laserdiode

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des obengenannten US-Patentes ist. Eine zweite Alternative ist einen (dagegen breiteren) Mesasteg vorzusehen, innerhalb dessen slch, von zwei V-förmigen Kerben seitlich begrenzt, der aktive Mesasteg dieses US-Pätentes befindet.

Es ist ebenfalls problemlos und Stand der erreichten Technologie, derartige Laserchips herzustellen, bei denen die laseraktive Zone, d.h. diejenige Zone, an deren an der Halbleiteroberfläche liegenden Querschnittsfläche die I Laserstrahlung austritt, ein genau festzulegendes Maß

bezogen auf den Mesasteg hat. Der Mesasteg kann wahlweise auf der Substratoberseite oder -Unterseite angebracht X sein. Der Laserstreifen liegt infolge der angewendeten

* fototechnischen Mittel exakt in der Mitte des Mesasteges.

Es ergibt sich also, daß die x, y-Position der laser- ; aktiven Zone des Laserchips exakt vorgegeben werden

^f kann, und zwar bezogen auf die Substratoberfläche des

j Chips. Da auch -wie oben bereits ausgeführt- der Faserkern

j' einer in die V-Nut eingelegten Glasfaser in seiner x,

j y-Position durch entsprechende Abmessungsanpassung exakt

I vorgegeben werden kann, lassen sich Glasfaser und Laser-

: diode hinsichtlich des Faserkerns einerseits und der

' laseraktiven Zone andererseits außerordentlich genau, und

zwar in x-Richtung und in y-Richtung selbstjustierender Heise zueinander positionieren. Die Positionierung in z- ', Richtung ist an sich unkritisch und wird durch Manipulation eingestellt, für die Abstandswerte zwischen 5 U bis 30 pm einzustellen sind, ehe man Faser und Laserchip

H In der V-Nut mit dem Körper, in dem sich die V-förmige Nut

|§ befindet, fest und dauerhaft verbindet.

pi Für diese endgültige Befestigung ist es von Vorteil, die

aufeinanderliegenden Oberflächen des Laserchips einer-

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seits und der V-Nut andererseits mit Metallschichten zu versehen, den auf dem Justierkörper mit der V-Nut aufgelegten Laserchip z.B. durch Rütteln einwandfrei anliegend *:

aufzubringen und diesen Justierkörper und den Laserchip miteinander zu verlöten. ';

Eine dritte Alternative ist den Mesasteg dem "aktiven" Mes^steg gegenüberliegend anzuordnen.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nach- I folgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung eines I Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor. §

Figur 1 zeigt einen Laserchip mit einer für die Erfindung | angepaßten Form mit Mesasteg, der außerdem (2. Alternative) f V-förmige Kerben hat. \

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäß zu verwendenden Justierkörper mit V-Nut.

Figur 3 zeigt eine Variante zur Figur 2 und

Figur 4 zeigt in stirnseitiger Ansicht die gesamte Anordnung mit positioniertem Laserchip und dazu positionierter Glasfaser.

Figur 5 zeigt eine seitliche (Schnitt-)Ansicht der Figur 4.

Der Laserchip 2 in Figur 1 besteht, wenigstens für die vorliegende Erfindung, im wesentlichen aus einem Halbleiter-Substratkörper 3 und dem auf der oberen Oberfläche 4 dieses Substratkörpers 3 vorhandenen Mesasteg 5. Der Mesasteg 5 ist mit dem Subs':: ...körper 3 einstückig verbunden und besteht aus mehreren aufeinanderliegender,

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epitaktisch aufgebrachten Schichten. Mit 6 ist eine streifenförmige, auf der Oberfläche 51 des Mesasteges 5 befindliche Elektrode bezeichnet. In x-Richtung ist die Lage der laseraktiven Zone 7 (von der in Figur 1 nur die Austritts-Querschnittsfläche in der stirnseitigen Oberfläche des Laserchips 2 zu sehen ist) durch die Positionierung des Elektrodenstreifens 6 gegeben. In y-Richtung ist die Lage dieser laseraktiven Zone 7 durch den epitaxialen Schichtaufbau gegeben. Die voranstehenu erwähnten Einzelheiten der Laserdiode nach Figur 1 sind prinzipiell bekannt, z.B. aus der obengenannten US-PS, und bedürfen für den Fachmann keiner noch eingehenderen Beschreibung.

Für die Erfindung jedoch wichtig ist, daß die beiden Seiten- bzw. Flankenflächen 8 und 9 des Mesasteges ein vorzugebender Winkel (z.B. bezogen auf die Oberfläche 4) einzuhalten ist, wobei diese gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehene Maßnahme technologisch wiederum mit bekannten Mitteln einzuhalten ist, z.B. durch chemische Ätzung mit Kaliumdichromat, gelöst in Schwefelsäure und Salzsäure.

Nach der ersten Alternative ist der Mesasteg 5 der aktive Mesasteg des US-Patentes 4 352 187. Der zweiten Alternative gemäß hat der Mesasteg 5 vergleichsweise größere Breite und weist die zwei V-förmigen Kerben 61 und 62 auf. Diese zweite Alternative hat einen Vorzug, nämlich daß sich mögliche mechanische Spannungen auf dem "aktiven" Mesasteg (zwischen den Kerben 61 und 62) weniger stark auswirken können.

Der Justierkörper (Fig. 2) ist ein Halbleiterkörper 11 und besteht z.B. aus Silizium, Galliumarsenid und dgl.. Zu

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bevorzugen ist kubisch kristallisierendes Halbleitermaterial. Für das vorliegende Beispiel ist eine Orientierung gewählt, bei der die dargestellte Oberfläche 12 des HaIbleiterkörpers 11 eine 100-Kristallfläche ist. Durch an sich bekanntes Ätzen eines solchen Justierkörpers 11 auf bzw. an der Oberfläche 12 ist mit Hilfe entsprechender Maskierung eine wie dargestellte Nut 13 in die Oberfläche

12 und in den Halbleiterkörper 11 hineingeätzt werden. Aufgrund der gewählten Orientierung ergeben sich Seitenbzw, Flankenflächen 14 und 15 der Nut 13, die eine V-Nut

13 entstehen läßt, deren Flankenflächen 111-Kristallflächen sind und die exakte Winkelorientierung im Halbleiterkörper haben.

Figur 3 zeigt eine nachfolgend noch näher zu erörternde Variante an einem Halbleiterkörper 111. Wie aus Figur 3 ersiontlich, ist in der V-förmigen Nut 113 (vergleichsweise zum Ji'stierkörper 11 der Figur 2) noch ein Anteil 116 mit einer Oberfläche 216 stehengelassen. Derartiges ist ohne Schwierigkeiten durch Unterbrechung und Zwischenmaskierung im Ä'tzprozeß auszuführen.

Die Darstellung der Figur 4 zeigt Einzelheiten, die lit mit den Figuren 1 bis 3 übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, übereinstimmendes Bezugszeichen bedeutet übereinstimmende Bedeutung der betreffenden Einzelheit der Darstellung.

Der Justierkörper 111, der sinrgemäß auch ein Justierkörper 11 sein kann, ist so dargestellt, daß die V-Nut bzw. die Z-Achse senkrecht auf der Durstellungsebene steht. In gegenüber der Figur 1 umgekehrter Lage (up-sidedown-Positionierung) j legt der Laserchip 2 auf dem Justierkörper 111 auf. Dabei liegen die Chipoberfläche 4

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und die Oberfische 12 des Justierkörpers 11, 111 wie ersichtlich übereinander, vorzugsweise dicht aufeinander. Auf jeden Fall liegen aber die Seitenflächen 8, des Mesasteges 5 dicht anliegend auf den Flankenflächen und 15 der V-Nut auf. Das Anliegen dieser Seitenflächen bzw. Flankenflächen bewirkt die exakte Positionierung des Laserchips 2 auf bzw. an dem Justierkörper 11, 111.

Die in Figur 4 mit 21 bezeichnete Glasfaser 21 (von der in Figur 4 der Querschnitt dargestellt ist) liegt wie ersichtlich in der V-Nut 113. Dabei liegt die äußere Oberfläche 22 der Glasfaser 21 dicht auf den Flankenflächen und 15 der V-Nut 113 an. Mit 23 ist der eigentliche Faserkern bezeichnet, der für die Lichtübertragung mitteis der Glasfaser 21 in Betracht kommt.

Wie aus Figur 4 ersichtlich, sind dieser Faserkern 23 und &iacgr; die laseraktive Zone 7 außerordentlich exakt zueinander I, justiert, und zwar in selbstjustierender Weise. Die exakte

Selbstjustierung gewährleistet die Kristallorientierung > der Flankenflächen 14, 15 und der Seitenflächen 8, 9 des,

Wesasteges 5, sowie der ohnehin exakt eingehaltene Durchmesser der Glasfaser 21. Mit 31 und 32 ist auf ein Verlöten der aneinanderliegenden Flächen des Laserchips und des Halbleiterkörpers 111 hingewiesen. Bei einer Breite des Mesasteges gleich der Breite des Chip erfolgt die Verlötung auf der Oberfläche 216.

Mit dem bezugszeichen 116 ist in Figur 4 auf das Vorhandensein des zur Figur 3 bereits beschriebenen Anteils 116 hingewiesen. Die Oberfläche 216 (diese Oberfläche 216 ist in Figur 5 durch gestrichelte Darstellung erkennbar gemacht) und die Oberfläche 51 des Mesasteges 5 liegen vorteilhafterweise dicht auf- bzw. aneinander. Eine solcha Anordnung bietet den Vorteil einer guten Wärmeableitung

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aus dem Laserchip 2 über den Anteil 116 in den Halbleiterkörper 111.

Die zur Figur 4 gehörige Seitenansicht der Figur 5 enthält die bereits zu den Figuren i bis 4 beschriebenen Bezugszeichen. Die Figur 5 ergänzt das Verständnis zur Figur 4 ohne daß es besondere weitere Erörterungen bedarf. Die Figur 5 gibt die Ansicht der in Figur 4 angegebenen Schnittebene wieder.

In Figur 1 ist gestrichelt noch auf eine dritte Alternative hingewiesen. Es ist dort (zusätzlich) ein Mesasteg 105 mit Flanken 108, 109 und einer Oberfläche 151 vorgesehen, der an der, bezogen auf die Lage der laseraktiven Zone 7, gegenüberliegenden OberfläöHe 104 des Laserchips vorgesehen ist. Dieser Mesasteg wird bei dieser Alternative in die Nut 13, 113 passend eingesetzt. Dieser Positionierung entsprechend sind dann der Durchmesser der Faser 21 und/oder die Abmessung der V-Nut 13, 113 im Justierkörper 11, 111 der Lage der laseraktiven Zone 7 angepaßt zu bemessen. Diese Alternative hat den Vorzug, daß keine mechanischen Spannungen auf die laseraktive Zone 7 einwirken, die auftreten könnten.

Claims

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■ansprüche

1. Einrichtung zur Ankopplung einer vorgegebenen Glasfaser (21) und eines Halbleiterlasers miteinander, der eine vorgegebene, laseraktive Zone (7) aufweist,

- mit einem Laserchip (2), mit einem Halbleiter-Substratkörper (3),

- wobei der Substratkörper (3) einen Mesasteg (5, 105) mit einer Oberfläche (51, 151) und mit zur Oberfläche (4, (104) des Substratkörpers (3) schrägen Flanken (8, 9; 108, 109) aufweist,

- mit einem Justierkörper (11, 111) aus Halbleitermaterial,

- der eine V-fiirmige Nut (13, 113) in seiher Oberfläche (12) hat,

- wobei diese Nut (13, 113) hinsichtlich Breite und Flankenwinkel ß so bemessen ist, daß der Kern (23) der mit ihrem einen Ende in die Nut (13, 113) eingelegten Glasfaser (21, Fiy. 5) und die laseraktive Zone (7) des Laserchip (2) zueinander genau positioniert sind, wobei der Laserchip (2) mit dem Mesasteg (5, 105) in diese Nut (13, 113) eingepaßt an dem Justierkörper (11, 111) befestigt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß der Laserchip (2) am Justierkörper (11, 111) angelötet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß der Justierkörper (111) in seiner Nut (113) einen Anteil (116, 216) aufweist, wobei der Laserchip (2) an diesen Anteil (116, 216) angrenzend befestigt ist.

A. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e &eegr; n-

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zeichnet dadurch , daß ein breiter Mesasteg (5) vorgesehen ist und in der Oberfläche (51) dieses Mesasteges (5) der laseraktiven Zone (7) parallel laufend Kerben (61, 62) vorgesehen sind, die wenigstens bis zur Tiefe der laseraktiven Zone (7) in den Laserchip (2) hineinreichen.

5. Einricntung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g ekennzeichnet dadurch , daß der zur justierten Befestigung des Laserchips (2) an dem Oustierkörper (11, 111) vorgesehene Mesasteg (105) auf eier Oberfläche (104) des SuJbstratkörpers (3) vorhanden ist, die (104) der Lage der iaseraktiven Zone (7), diese Lage bezogen auf den Substratkörper (3), gegenüberliegend ist.

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