WO1993013439A1 - Lichtleiterverbindung zum verkoppeln eines wellenleiters und einer faser - Google Patents

Lichtleiterverbindung zum verkoppeln eines wellenleiters und einer faser Download PDF

Info

Publication number
WO1993013439A1
WO1993013439A1 PCT/DE1992/001083 DE9201083W WO9313439A1 WO 1993013439 A1 WO1993013439 A1 WO 1993013439A1 DE 9201083 W DE9201083 W DE 9201083W WO 9313439 A1 WO9313439 A1 WO 9313439A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
optical
taper
etching
fiber
Prior art date
Application number
PCT/DE1992/001083
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Heidrich
Carl Weinert
Michael Hamacher
Kecheng Li
Original Assignee
HEINRICH-HERTZ-INSTITUT FüR NACHRICHTENTECHNIK BERLIN GMBH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HEINRICH-HERTZ-INSTITUT FüR NACHRICHTENTECHNIK BERLIN GMBH filed Critical HEINRICH-HERTZ-INSTITUT FüR NACHRICHTENTECHNIK BERLIN GMBH
Publication of WO1993013439A1 publication Critical patent/WO1993013439A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device

Definitions

  • Optical fiber connection for coupling a waveguide and a fiber
  • the invention relates to a light guide connection formed on a common substrate for coupling an integrated optical waveguide to an optical fiber embedded in an etching pit in the substrate.
  • Such monolithically integrated light guide connections are used when using components, chips and components of integrated optics e.g. in communications technology or in future optical computer systems, in the field of sensors and the like at the interface to fiber optics.
  • Hybrid structures are another, more economical and robust type for light conductor connections (cf., for example, "IEEE Journal of Quantum Electronics” Vol. QE 22 No. 6, June 1986, pages 928 to 932; “Journal of Optical Communications” Vol. 2 No. 4 (1981), pages 122 to 127; “Journal of Optical Communications” Vol. 10 No. 2 (1989), pages 54/55, where the fibers are fastened in V-pits of Si chips and then attached to a substrate with integrated optical waveguides.
  • the different thermal properties are problematic in their effects on the adjustment.
  • Waveguide taper is known for less critical adjustment tolerances when coupling a waveguide to a fiber.
  • a buried waveguide tap can be provided (cf. loc. "El.Lett.”), After its structuring and any further integrated components, the layer growth must be continued. If two closely adjacent vertical layers are formed as waveguide cores on the substrate (cf. loc.
  • a rib designed as a lateral taper that is to say in different widths, results in vertical guidance on a layer composed of several layers the optical wave essentially in the region of the broad rib or in the deeper waveguide core with a narrow rib.
  • a mechanically stable, easily adjustable light guide connection fiber / Waveguide tapers
  • the invention is based on the technical problem of, for integrated optical systems, the measures for assembly with at least one optical coupling and / or decoupling device being largely taken into account in the mask set for the formation of structures on the substrate and the existing ones Not to limit freedom for other structures and to be able to prepare the end face of the fiber and embed the fiber with as little effort as possible.
  • the finished light guide connection should have the lowest possible coupling losses, be reliable, stable and insensitive to external interference and be suitable for use in components, components, chips and monolithic microsystems.
  • the solution according to the invention provides that the substrate consists of a III-V semiconductor material and the integrated optical waveguide is designed as a surface strip waveguide and is provided with an end surface produced by micro-splitting.
  • III-V compound semiconductor material enables the construction of purely electrical, purely optical and opto-electronic components to be produced in planar technology for the low-attenuation wavelength ranges of fiber-optic transmission systems and is easy to split; the gap end faces have optical quality.
  • a surface strip waveguide has the advantage over buried or buried structures that the layer growth is at least essentially ended with its formation. For the generation of the waveguide end surface by micro-cleavage, however, during the layer growth below the waveguide, it must be ensured by forming a special etching layer that a tab at the end of the waveguide can be exposed from the etching pit. Further explanations follow in connection with the description of the embodiments of the invention shown in the figures.
  • the technical teaching according to the invention offers particularly advantageous possibilities for embedding the optical fiber in the etching pit in a tensile manner.
  • An adhesive or a soldering agent can be applied without difficulty before the adjustment and fill the joints between the cladding of the fiber and the flank surfaces of the etching pit over a length of a few mm and can be solidified in a short time after the adjustment.
  • an etching pit is advantageously formed in a V-shape.
  • the V shape ensures at least a rough adjustment and arises automatically in a wet etching process in III-V semiconductor material with a corresponding alignment with respect to the crystal directions and planes.
  • the substrate below the waveguide with its taper can have at least one optical guide layer at the level of the axis of the optical fiber. Because of the less stringent adjustment tolerances when a fiber is coupled to a waveguide taper, the position of the optical guide layer or layers is not particularly critical.
  • Embodiments of the invention are shown schematically in the drawing. Show:
  • Fig. 2 a monolithically integrated optical fiber chip with waveguide taper / fiber;
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a waveguide taper according to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a cross section through the waveguide taper according to FIG. 3;
  • FIG. 7 a detail of an etching mask according to FIG. 6 for the area of a tab to be split off at the end of the waveguide.
  • OEIC optoelectronically integrated chip
  • FIGS. 1 and 2 show the difference between these two embodiments.
  • the fiber 3 is provided with a taper 17;
  • the embodiment according to FIG. 2 has a waveguide 2 designed as a taper 7, the end face 16 of the fiber 3 is split off and anti-reflective perpendicular to the fiber axis.
  • an OEIC Since the functions of an OEIC include optical transmitters (for example, projection lasers), optical waveguide components, optical detectors and, if appropriate, also electronic components, a III-V semiconductor material must be used for this.
  • the material system InP / InGaAsP is currently in the foreground for the wavelength range from 1.3 ⁇ m to 1.6 ⁇ m relevant for glass fiber transmission technology.
  • the GaAs material system can be used for the wavelength window around 800 nm.
  • the pit 11 can be produced with a depth of a little more than half the diameter of the fiber 3, for example by a wet chemical depth etching using a dielectric mask. The pit 11 connects to the waveguide 2. Later, the fiber 3 in the pit 11 is actively adjusted and fixed tensile.
  • etching pits 11 are formed with positive flank angles of approximately 55 °, since the etching rate at the (III) plane is significantly lower.
  • the flank angle can deviate by a few degrees from the (III) plane, 55 °, by interacting diffusion and kinetically controlled etching. Experimentally, 51 ° +/- 1 ° was reached. The tolerance can be reduced with optimized technology.
  • the waveguide end face 13 is produced by micro-cleavage of a tab 18 (cf. also FIGS. 6 and 7).
  • this requires a special layer structure in the OEIC substrate 1 under the waveguide 2.
  • an optical buffer layer 10 Directly below the layer for the waveguide 2 is an optical buffer layer 10 and below this an etching layer 14, which enables selective wet etching. All these layers consist of materials belonging to the same material system, for example the layer for the waveguide 2 made of I ⁇ GaAsP with a band gap corresponding to 1.05 ⁇ m wavelength, the optical buffer layer 10 made of InP and the etching layer 14 again made of InGaAsP, but with according to a band gap ner wavelength of 1.3 ⁇ m. If the layer for the waveguide 2 consists of material with a higher refractive index, ternary InGaAs can also be used for the etching layer 14.
  • Such a layer structure of an OEIC substrate 1 can easily be implemented in the course of an epitaxy process and does not require any additional equipment.
  • the deep etching of the etching pit 11 is already the preliminary stage for exposing the tab 18 to be split off at the end of the waveguide 2.
  • a predetermined breaking point in the form of a narrow and short web 19 is between the waveguide 2 and the tab 18 to be split off intended.
  • the etching layer 14 below the tab 18 and the web 19 is removed. The then freely projecting tab 18 can be split off by the use of ultrasound.
  • the etching layer 14 is also attacked where it appears on the flank surfaces of the etching pit 11. However, this does not involve any impairment with regard to the embedding and fastening of the fiber 3 in the etching pit 11.
  • Another lithographic step and dry etching e.g. reactive ion beam etching.
  • the crystal structure of III-V material enables such simple cleavage.
  • the fiber 3 is then actively adjusted in the etching pit 11 and then fixed in a tensile manner using, for example, a UV-curing adhesive or a solder. De-adjustment due to thermal changes in thin layers of adhesive or solder is minimal at best. Therefore, without any difficulties and without interfering with each other, several such light guide connections can be realized on a common substrate and all fibers 3 can be attached one after the other.
  • FIG. 1 is designed for the connection of a conventional optical fiber 3 formed with a taper 17.
  • fibers 3 with end surface 16 which is perpendicular to the fiber core, and the waveguide 2 are used, and waveguides 2 are used which are designed in the transition region to end surface 13 as asymmetrical waveguide taper 7.
  • An adhesive with the same refractive index as that of the core of the fiber 3 is used for the optical adaptation in the gap between the end faces 13 and 16.
  • simple measures are used to create the layers below the integrated optical waveguide ⁇ ters 2 and by the formation of the taper 7 in its end region brings about an expanded and in its shape more adapted to the radially symmetrical optical field of a fiber intensity distribution.
  • FIGS. 3 and 5 show the construction of such an asymmetrical waveguide taper 7 in longitudinal or cross-section.
  • An undermounted waveguide 2 covers a layer sequence delimited at the bottom by the etching layer 14, in which at least one optical guiding layer 21 is located between optical buffer layers 10 .
  • the waveguide 2 has the thickness t1 and the thickness t3 at the waveguide end surface 13.
  • the first section L1 up to the thickness t2 is formed as a steeper ramp than the second section L2 between the thicknesses t2 and t3.
  • the flatter ramp of the section L2 and its thickness t3 on the end face 13 ensure low radiation losses.
  • a superstrate 22, which does not impair the function of the waveguide taper 7, can serve to protect the surface of the OEIC or to ensure the functions of other components.
  • the mode of operation of the waveguide taper 7 can be seen from FIG. At points tl / t2 / t3 (see FIG. 3) the field distributions of a guided mode are shown. Because of the very different jump in refractive index compared to the media above and below the layer of waveguide 2 (top: air; bottom: substrate), the optical field is practically completely in this layer with a large thickness t1, with a significant proportion in with a smaller thickness t2 of the optical buffer layer 10 between the guide layers 2 and 21 and, with a small thickness t3, is guided almost completely in the buffer layers 10 with a center in the optical guide layer 21.
  • Such a waveguide taper 7 works in both directions, and can therefore be located both at an optical coupling point and at an optical decoupling point.
  • cut-off The phenomenon that there is no vertical guidance of an optical wave when the waveguide 2 falls below a certain thickness is referred to as "cut-off".
  • a horizontal guidance of the optical wave e.g. a rib formed on the waveguide 2.
  • Ll 500 ⁇ m; L2 * - * 500 ⁇ m.
  • integrated optical waveguides 2 can be at a mutual distance of 250 ⁇ m. Between etching pits 11 with a length of approx. 2000 ⁇ m to 5000 ⁇ m, ramparts with a width of 50 ⁇ m remain. These are at a distance of 100 ⁇ m from the area with the waveguides 2.
  • the waveguide end surface 13 is anti-reflective, in particular for coherent applications, other lift-off techniques are used for the tab 18 to be split off, and dimensions other than those specified in the example are selected.

Abstract

Die Konfektionierung eines monolithischen Mikrosystems, z.B. eines opto-elektronisch integrierten Chips -OEIC-, mit mindestens einer optischen Ein- und/oder Auskoppeleinrichtung ist bereits weitestgehend im Maskensatz für die auf dem gemeinsamen Substrat (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial auszubildenden Strukturen vorbereitet. Dabei handelt es sich um eine Ätzgrube (11) für die dort eingebettete optische Faser (3) und einen Oberflächen-Streifenwellenleiter (2), der mit einer durch Mikroabspaltung erzeugten Endfläche (13) versehen ist. Der Wellenleiter (2) kann als asymmetrischer Wellenleiter-Taper (7) ausgebildet, alternativ die Faser (3) mit einem Taper versehen oder zwischen beiden Lichtleitern (2, 3) auch ein mikrooptisches Element angeordnet sein. Derartige monolithisch integrierte Lichtleiterverbindungen werden beim Einsatz von Bauelementen, Chips und Komponenten der Integrierten Optik an der Schnittstelle zur Faseroptik benötigt.

Description

Lichtleiterverbindung zum Verkoppeln eines Wellenleiters und einer Faser
Die Erfindung bezieht sich auf eine auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildete Lichtleiterverbindung zum Verkoppeln eines integriert optischen Wellenleiters mit einer in einer Ätzgrube im Substrat eingebetteten optischen Faser.
Derartige monolithisch integrierte Lichtleiterverbiπdungen werden beim Einsatz von Bauelementen, Chips und Komponenten der Integrierten Optik z.B. in nachrichtentechnischen oder in künftigen optischen Rechner-Systemen, auf dem Gebiet der Sensorik und dergleichen an der Schnittstelle zur Faseroptik benötigt .
Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist aus "Optics Let'ters" Bd. 9, Nr. 10, Oktober 1984, Seiten 463 bis 465 bekannt. Die dort gewählte Anordnung für die Verbindung eines Wellenleiters und einer Faser, die beide im selben Kanal eines LiNbO -Substrats versenkt bzw. einge¬ bettet sind, diente hauptsächlich für erste Untersuchungen der auftretenden Koppelmechanismen. Die dafür angewendeten Maßnahmen zur Vorbereitung des Kanalgrabens (Ionenstrahl-Ät¬ zen) und der Faser (chemisches Abätzen bis auf den Kernbe- reich und Polieren) dürften wohl für die Herstellung in großen Stückzahlen und den Einsatz unter harten Betriebbe¬ dingungen zu aufwendig und zu störanfällig sein.
Eine andere, ökonomischere und robustere Art für Lichtlei- terverbindungen stellen hybride Aufbauten dar (vgl. z.B. "IEEE Journal of Quantum Electronics" Bd. Q-E 22 Nr. 6, Juni 1986, Seiten 928 bis 932; "Journal of Optical Communica¬ tions" Bd. 2 Nr. 4 (1981) , Seiten 122 bis 127; "Journal of Optical Communications" Bd. 10 Nr. 2 (1989) , Seiten 54/55. Dort werden die Fasern in V-Gruben von Si-Chips befestigt und diese sodann auf einem Substrat mit integriert optischen Wellenleitern angebracht. Problematisch sind dabei die un¬ terschiedlichen thermischen Eigenschaften in ihren Auswir¬ kungen auf die Justierung.
Für die eingangs erwähnten Einsatzgebiete der Integrierten Optik bestimmt der weiter zunehmende Integrationsgrad die Entwicklungen. Diese zielen auf monolithische Mikrosyste e ab, die neben passiven Wellenleiterstrukturen und opto-elek- tronischen Bauelementen auch aktive optische Komponenten sowie rein elektrische bzw. elektronische Bauelemente und Schaltungen aufweisen können und mit mindestens einer opti¬ schen Ein- und/oder Auskoppelstelle versehen sind. An derar¬ tigen MikroSystemen sind somit die Gebiete der Integrierten Optik, der Mikroelektronik, der Mikromechaπik und auch der Mikrooptik sowie der Faseroptik beteiligt.
Aus "Electronics Letters" Bd. 27 Nr. 20 (26. Sept. 1991), Seiten 1836 bis 1838 sowie aus "Optics Letters" Bd. 16 Nr. 5 (1. März 1991), Seiten 306 bis 308 sind bereits monolithisch integrierte Wellenleiter-Taper bekannt für unkritischere Ju¬ stiertoleranzen bei einer Verkopplung eines Wellenleiters mit einer Faser. Dazu kann ein vergrabener Wellenleiter-Ta¬ per vorgesehen werden (vgl. a.a.O. "El.Lett . ") , nach dessen Strukturierung sowie eventueller weiterer integrierter Kom¬ ponenten das Schichtenwachstum fortgesetzt werden muß. Wer¬ den zwei dicht benachbarte vertikale Schichten als Wellen¬ leiter-Kerne auf dem Substrat ausgebildet (vgl. a.a.O. "Optics Lett."), bewirkt eine als lateraler Taper, also in unterschiedlicher Breite ausgebildete Rippe auf einer Schicht aus mehreren Lagen eine vertikale Führung der opti¬ schen Welle im wesentlichen im Bereich der breit ausgebilde¬ ten Rippe bzw. im tieferen Wellenleiterkern bei schmaler Rippe. Auf welche Art und Weise hierbei eine mechanisch stabile, leicht justierbare Lichtleiterverbindung (Faser/ Wellenleitertaper) konstruktiv zu realisieren ist, wird in diesem Zusammenhang nicht erwähnt .
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, für in- tegriert optische Systeme die Maßnahmen zur Konfektionierung mit mindestens einer optischen Ein- und/oder Auskoppelein- richtuπg bereits weitestgehend im Maskensatz für die Ausbil¬ dung von Strukturen auf dem Substrat zu berücksichtigen und dabei die bestehenden Freiheiten für andere Strukturen nicht zu beschränken sowie mit möglichst geringem Aufwand die Endfläche der Faser vorbereiten und die Einbettung der Faser vornehmen zu können. Die fertige Lichtleiterverbindung soll möglichst geringe Koppelverluste aufweisen, zuverlässig, stabil und gegen äußere Störeiπflüsse unempfindlich sein und sich für den Einsatz bei Bauelementen, Komponenten, Chips und monolithischen Mikrosystemen eignen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht bei einer Lichtleiterver¬ bindung der eingangs genannten Art vor, daß das Substrat aus einem III-V-Halbleitermaterial besteht und der integriert optische Wellenleiter als Oberflächen-Streifenwellenleiter ausgebildet und mit einer durch Mikroabspaltung erzeugten Endfläche versehen ist.
Ill-V-Verbindungshalbleitermaterial ermöglicht für die dämp¬ fungsarmen Wellenlängenbereiche faseroptischer Übertragungs¬ systeme den Aufbau rein elektrischer, rein optischer und opto-elektronischer in Planartechπologie herzustellender Bauteile und ist gut spaltbar; die Spalt-Endflächen haben optische Qualität. Ein Oberflächen-Streifenwellenleiter hat gegenüber vergrabenen oder versenkten Strukturen den Vor¬ teil, daß mit seiner Ausbildung das Schichtenwachstum zumin¬ dest im wesentlichen beendet ist. Für die Erzeugung der Wellenleiter-Endfläche durch Mikroab- spaltung ist allerdings während des Schichtenwachstums unterhalb des Wellenleiters durch Ausbildung einer spe¬ ziellen Ätzschicht dafür zu sorgen, daß sich eine Lasche am Ende des Wellenleiters von der Ätzgrube aus freilegen läßt. Nähere Ausführungen hierzu folgen im Zusammenhang mit der Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungs¬ formen der Erfindung .
Die technische Lehre gemäß der Erfindung bietet besonders vorteilhafte Möglichkeiten, die optische Faser zugfest in der Ätzgrube einzubetten. Ein Kleber oder ein Lotmittel kön¬ nen vor der Justierung ohne Schwierigkeit aufgebracht werden und füllen die Fugen zwischen dem Mantel der Faser und den Flankenflächen der Ätzgrube über eine Länge von einigen mm aus und lassen .sich nach der Justierung in kurzer Zeit ver¬ festigen -
Weiterhin wird eine Ätzgrube vorteilhaft v-förmig ausge- bildet. Die V-Form gewährleistet zumindest eine Grobjustie¬ rung und ergibt sich bei einem Naßätzprozeß in III-V-Halb- leitermaterial bei entsprechender Ausrichtung bezüglich der Kristallrichtungen und -Ebenen von selbst.
Bei monolithischen Lichtleiterverbindungeπ gemäß der Erfin¬ dung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen ist zwischen zwei Aufbautypen zu unterscheiden. Der eine Typ ist so aus¬ gebildet, daß die optische Faser mit einem Taper versehen ist, beim anderen Typ ist der Wellenleiter im näheren Bereich seiner Endfläche als asymmetrischer Wellenleiter-Ta- per ausgebildet. Die Vorteile eines Wellenleiter-Tapers, wie diese auch den weiter vorstehend bei der Würdigung des Stan¬ des der Technik erwähnten Veröffentlichungen insbesondere bezüglich der Justiertoleranzen entnommen werden können, kommen damit auch bei diesem Typ der Ausführungsformen der Erfindung voll zur Geltung.
In bevorzugter Weise kann dabei unterhalb des Wellenleiters mit seinem Taper das Substrat mindestens eine optische Leit¬ schicht in Höhe der Achse der optischen Faser aufweisen. We¬ gen der weniger strengen Justiertoleranzen bei einer Ver- kopplung einer Faser mit einem Wellenleiter-Taper ist die Lage der optischen Leitschicht bzw. Leitschichten nicht be- sonders kritisch.
Als besonders wirkungsvoll hat sich herausgestellt, den Wel¬ lenleiter-Taper in seiner Längsrichtung mit unterschiedli¬ cher, an der Endfläche geringster Rampenneigung auszubilden. Auch hierzu finden sich nähere Erläuterungen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 4 bis 6.
In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsformen der Er¬ findung dargestellt. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine monolithisch integrierte Lichtleiterverbindung Chip/Faser mit Taper;
Fig. 2: eine monolithisch integrierte Lichtleiterverbinduπg Chip mit Wellenleiter-Taper/Faser;
Fig. 3: einen Längsschnitt durch einen Wellenleiter-Taper gemäß Fig . 2;
Fig. 4: Schaubilder für Feldverteilungen bei einem Wellen¬ leiter-Taper gemäß Fig. 3;
Fig. 5: einen Querschnitt durch den Wellenleiter-Taper gemäß Fig. 3;
Fig. 6: eine Ätzmaske für die Strukturierung einer Lichtlei¬ terverbindung gemäß Fig. 1, 2 und
Fig. 7: einen Ausschnitt einer Ätzmaske gemäß Fig. 6 für den Bereich einer abzuspaltenden Lasche am Ende des Wel¬ lenleiters . In den Figuren 1 und 2 sind bei einem opto-elektronisch in¬ tegrierten Chip "OEIC" 1 nur die wesentlichen Teile für eine monolithische Faser-/Chip-Kopplung dargestellt. Ein inte¬ griert optischer Wellenleiter 2 und eine optische Faser 3 sind hierbei zugfest, mit Feldanpassung und stabiler Justie¬ rung auf einem gemeinsamen Träger miteinander verbunden. Die Faser 3 ist in einer Ätzgrube 11 eingebettet. Der Wellenlei¬ ter 2 verläuft in Richtung der Achse der eingebetteten Faser 3 und weist eine optische Endfläche 13 auf, die durch Mikro- abspaltung erzeugt worden ist .
Die beiden vergrößert dargestellten Ausschnitte bei den Fi¬ guren 1 und 2 für die Bereiche, in denen die beiden Licht¬ leiter 2, 3 miteinander verkoppelt werden, lassen den Unter- schied zwischen diesen beiden Ausführungsformen erkennen. Bei der Lichtleiterverbindung gemäß Fig. 1 ist die Faser 3 mit einem Taper 17 versehen; die Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist einen als Taper 7 ausgebildeten Wellenleiter 2 auf, die Endfläche 16 der Faser 3 ist senkrecht zur Faserachse abgespalten und entspiegelt.
Zunächst werden zu der für beide Ausführungsformen überein¬ stimmenden Ausbildung der Ätzgruben 11 und Wellenleiter-End¬ flächen 13 die durchzuführenden Maßnahmen näher erläutert.
Da die Funktionen eines OEIC optische Sender (z.B. Iπjek- tionslaser) , optische Wellenleiterkomponenten, optische De¬ tektoren sowie gegebenenfalls auch elektronische Komponenten einschließen, ist hierfür ein III-V-Halbleitermaterial ein- zusetzen. Gegenwärtig steht das Materialsystem InP/InGaAsP für den für die Glasfaserübertragungstechπik relevanten Wel¬ lenlängenbereich von 1,3 μm bis 1,6 μm im Vordergrund. Für das Wellenläπgenfenster um 800 nm kommt das GaAs-Materialsy- stem in Betracht. In derartigem Material kann beispielsweise durch eine na߬ chemische Tiefenätzuπg unter Verwendung einer dielektrischen Maske die Grube 11 mit einer Tiefe von etwas mehr als dem halben Durchmesser der Faser 3 hergestellt werden. Die Grube 11 schließt sich an den Wellenleiter 2 an. Später wird die Faser 3 in der Grube 11 aktiv justiert und zugfest fixiert.
Bei Ausrichtung von Wellenleiter 2 und Ätzgrube 11 in [IlOÜ-Richtung auf (001) -Substrat entstehen Ätzgruben 11 mit positiven Flankenwinkeln von ca. 55°, da die Ätzrate an der (lll)-Ebene wesentlich geringer ist. Der Flankenwinkel kann von der (lll)-Ebene, 55°, durch zusammenwirkendes dif- fusioπs- und kinetisch kontrolliertes Ätzen um einige Grad abweichen. Experimentell wurden 51° +/- 1° erreicht. Die Toleranz läßt sich bei optimierter Technologie verringern. Bei Ausrichtung von Wellenleiter 2 und Ätzgrube 11 in
Figure imgf000009_0001
bilden sich entsprechend negative Flankenwin¬ kel aus.
Für Standardfasern mit einem Durchmesser von 125 μm ergibt sich damit eine Maskenbreite von 200 μm für die Ausbildung der Ätzgrubeπ 11.
Die Wellenleiter-Endfläche 13 wird durch Mikroabspaltung ei- ner Lasche 18 (vgl. auch Fig. 6 und 7) erzeugt. Dazu ist al¬ lerdings im OEIC-Substrat 1 unter dem Wellenleiter 2 ein be¬ sonderer Schichtenaufbau erforderlich. Direkt unterhalb der Schicht für den Wellenleiter 2 liegt eine optische Puffer¬ schicht 10 und unter dieser eine Ätzschicht 14, die ein se- lektivεs Naßätzen ermöglicht. Alle diese Schichten bestehen aus Materialien, die dem selben Materialsystem angehören, z.B. die Schicht für den Wellenleiter 2 aus IπGaAsP mit einer Bandlücke entsprechend 1,05 μm Wellenlänge, die opti¬ sche Pufferschicht 10 aus InP und die Ätzschicht 14 wiederum aus InGaAsP, allerdings mit einer Bandlücke entsprechend ei- ner Wellenlänge von 1,3 μm. Besteht die Schicht für den Wellenleiter 2 aus Material mit höherer Brechzahl, kann für die Ätzschicht 14 auch ternäres InGaAs verwendet werden.
Ein derartiger Schichtenaufbau eines OEIC-Substrats 1 läßt sich ohne weiteres im Verlauf eines Epitaxie-Prozesses rea¬ lisieren und erfordert keinerlei zusätzlichen apparativen Aufwand.
Für das Freilegen der abzuspaltenden Lasche 18 am Ende des Wellenleiters 2 stellt in besonders vorteilhafter Weise be¬ reits die Tiefenätzung der Ätzgrube 11 die Vorstufe dar. Zwischen Wellenleiter 2 und der abzuspaltenden Lasche 18 ist eine Sollbruchstelle in Form eines schmalen und kurzen Ste- ges 19 vorgesehen. Druch selektives Naßätzen wird die Ätz¬ schicht 14 unterhalb der Lasche 18 und des Steges 19 ent¬ fernt. Das Abspalten der sodann frei vorspringenden Lasche 18 kann durch Anwendung von Ultraschall herbeigeführt wer¬ den.
Beim selektiven Naßätzen wird allerdings die Ätzschicht 14 auch dort, wo sie an den Flankenflächen der Ätzgrube 11 zutage tritt, angegriffen. Hiermit ist jedoch keine Beein¬ trächtigung bezüglich der Einbettung und Befestigung der Faser 3 in der Ätzgrube 11 verbunden. Für das Freilegen der Lasche 18 kann auch ein weiterer lithografischer Schritt und ein Trockenätzen, z.B. reaktives Ionenstrahlätzen, durchgeführt werden.
Die Endfläche 13 des Wellenleiters 2, die beim Abspalten der Lasche 18 am Steg 19 entsteht, weist ohne weitere Bearbei¬ tung ausgezeichnete Eigenschaften für eine dämpfungsarme op¬ tische Stoß-Kopplung auf. Im Gegensatz zu z.B. Si-Material ermöglicht die Kristallstruktur von III-V-Material ein der- artiges einfaches Abspalten. In der Ätzgrube 11 wird die Faser 3 sodann aktiv justiert und anschließend unter Verwendung z.B. eines UV-aushärtenden Klebers oder eines Lotmittels zugfest fixiert. Eine Deju- stierung aufgrund thermischer Veränderungen dünner Kleber- bzw. Lotschichten ist allenfalls minimal. Ohne Schwierigkei¬ ten und ohne gegenseitige Beeinträchtigung können deshalb auch mehrere derartige Lichtleiterverbindungen auf einem ge¬ meinsamen Substrat realisiert und dafür alle Fasern 3 nach¬ einander angebracht werden.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist für den Anschluß einer herkömmlichen, mit einem Taper 17 ausgebildeten optischen Faser 3 ausgelegt. Bei Ausführungsformen gemäß Fig. 2 gelan¬ gen hingegen Fasern 3 mit zum Faserkern senkrechter, entspie gelter Endfläche 16 und solche Wellenleiter 2 zum Einsatz, die im Übergangsbereich zur Endfläche 13 als asymmetrischer Wellenleiter-Taper 7 ausgebildet sind. Zur optischen Anpas¬ sung im Spalt zwischen den Endflächen 13 und 16 dient ein Kleber mit der gleichen Brechzahl wie der des Kerns der Fa- ser 3. Bei dieser Art einer Lichtleiterverbindung wird durch einfach durchzuführende Maßnahmen bei der Erzeugung der Schichten unterhalb des integriert optischen Wellenlei¬ ters 2 und durch die Ausbildung des Tapers 7 in seinem End¬ bereich eine aufgeweitete und in ihrer Form mehr an das ra- dialsymmetrische optische Feld einer Faser angepaßte Inten¬ sitätsverteilung herbeigeführt.
Die Figuren 3 und 5 zeigen im Längs- bzw. Querschnitt den Aufbau eines derartigen asymmetrischen Wellenleiter-Tapers 7. Ein unvergrabener Wellenleiter 2 bedeckt eine nach unten von der Ätzschicht 14 begrenzte Schichtenfolge, in der sich mindestens eine optische Leitschicht 21 zwischen optischen Pufferschichten 10 befindet. Der Wellenleiter 2 weist die Dicke tl, an der Wellenleiter-Endfläche 13 die Dicke t3 auf. Um den Taper 7 möglichst kurz halten zu können, ist die erste Teilstrecke Ll bis zur Dicke t2 als steilere Rampe als die zweite Teilstrecke L2 zwischen den Dicken t2 und t3 ausgebildet. Die flachere Rampe der Teilstrecke L2 sowie deren Dicke t3 an der Endfläche 13 gewährleiten geringe Abstrahlverluste. Ein Superstrat 22, das die Funk¬ tion des Wellenleiter-Tapers 7 nicht beeinträchtigt, kann zum Schutz der Oberfläche des OEIC oder für die Gewährlei¬ stung von Funktionen anderer Bauelemente dienen.
Aus Fig. 4 ist die Wirkungsweise des Wellenleiter-Tapers 7 zu erkennen. An den Stellen tl/t2/t3 (vgl. Fig. 3) sind die Feldverteilungen einer geführten Mode dargestellt. Wegen des stark unterschiedlichen Brechzahlsprungs gegenüber den Medien ober- und unterhalb der Schicht des Wellenleiters 2 (oben: Luft; unten: Substrat) wird das optische Feld bei großer Dicke tl praktisch vollständig in dieser Schicht, bei geringerer Dicke t2 mit einem bedeutenden Anteil auch in der optischen Pufferschicht 10 zwischen den Leitschich¬ ten 2 und 21 und bei geringer Dicke t3 nahezu vollständig in den Pufferschichten 10 mit Zentrum in der optischen Leit¬ schicht 21 geführt.
Ein solcher Wellenleiter-Taper 7 arbeitet in beiden Richtun¬ gen, kann sich also sowohl an einer optischen Ein- als auch an einer optischen Auskoppelstelle befinden.
Die Erscheinung, daß bei Unterschreiten einer bestimmten Dicke des Wellenleiters 2 dort keine vertikale Führung einer optischen Welle auftritt, wird als "Cut-Off" bezeichnet. Für eine horizontale Führung der optischen Welle sorgt z.B. eine auf dem Wellenleiter 2 ausgebildete Rippe.
Die Angaben im nachstehenden Beispiel zum strukturellen Auf¬ bau eines Wellenleiter-Tapers 7 beziehen sich auf die Fig. 3 und 5: - Substratmaterial: GalnAsP/InP quaterπäre Schicht: Bandkante entsprechend 1,3 μm Wellen¬ länge
- Rippe: Breite w = 3 μm; Höhe h = 0,05 μm - Leitschicht (en) : Dicke tL = 0,04 μm
- Pufferschicht (en) : Dicke tB2 = tBl = 4 μm
- Ätzschicht: Dicke tE = 2 μm
- Längsprofil des Tapers 7: tl = 0,5 μm t2 = 0,23 μm t3 = 0,2 μm
Ll = 500 μm; L2 *-* 500 μm.
Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausschnitte der Ätzmasken mit cha¬ rakteristischen Maßangaben. Für Standardfasern mit 125 μm Durchmesser können integriert optische Wellenleiter 2 im ge¬ genseitigen Abstand von 250 μm liegen. Zwischen Ätzgruben 11 mit einer Länge von ca. 2000 μm bis 5000 μm verbleiben Wälle von 50 μm Breite. Diese haben einen Abstand von 100 μm zum Gebiet mit den Wellenleitern 2.
2 Für die Grundfläche der Lasche 18 sind z.B. (20 x 20) μm ,
2 für den Steg 19 ca. (10 x 10) μm vorzusehen (vgl. Fig. 7) .
Nicht dargestellte und/oder in den vorstehenden Ausführun- gen nicht besonders erwähnte Einzelheiten sollen auch dann von der Erfindung erfaßt sein, wenn es sich um technisch gleichwertige Maßnahmen handelt. So können z.B. statt eines Faser-Tapers 17 auch mikrooptische Elemente eingesetzt, die Wellenleiter-Endfläche 13 insbesondere für kohärente Anwen- düngen entspiegelt, andere Lift-Off-Techπiken für die abzu¬ spaltende Lasche 18 angewendet und andere als im Beispiel angegebene Abmessungen gewählt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Auf einem gemeinsamen Substrat (1) ausgebildete Lichtlei¬ terverbindung zum Verkoppeln eines integriert optischen Wel¬ lenleiters (2) mit einer in einer Ätzgrube (11) im Substrat (1) eingebetteten optischen Faser (3) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Substrat (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial besteht und der Wellenleiter (2) als Oberflächen-Streifenwellenlei¬ ter ausgebildet und mit einer durch Mikroabspaltuπg erzeug¬ ten Endfläche (13) versehen ist.
2. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die optische Faser (3) zugfest in der Ätzgrube (11) einge¬ bettet ist.
3. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ätzgrube (11) v-förmig ausgebildet ist.
4. Lichtleiterverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die optische Faser (3) mit einem Taper (17) versehen ist.
5. Lichtleiterverbinduπg nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wellenleiter (2) im näheren Bereich seiner Endfläche (13) als asymmetrischer Wellenleiter-Taper (7) ausgebildet ist.
6. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß unterhalb des Wellenleiters (2) mit seinem Taper (7) das Substrat (1) mindestens eine optische Leitschicht (21) in Höhe der Achse der optischen Faser (3) aufweist.
7. Lichtleiterverbindung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wellenleiter-Taper (7) in seiner Längsrichtung mit un¬ terschiedlicher, an der Endfläche (13) geringster Rampennei- gung ausgebildet ist.
PCT/DE1992/001083 1991-12-20 1992-12-18 Lichtleiterverbindung zum verkoppeln eines wellenleiters und einer faser WO1993013439A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DEP4142850.1 1991-12-20
DE19914142850 DE4142850A1 (de) 1991-12-20 1991-12-20 Lichtleiterverbindung zum verkoppeln eines wellenleiters und einer faser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1993013439A1 true WO1993013439A1 (de) 1993-07-08

Family

ID=6448055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1992/001083 WO1993013439A1 (de) 1991-12-20 1992-12-18 Lichtleiterverbindung zum verkoppeln eines wellenleiters und einer faser

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE4142850A1 (de)
WO (1) WO1993013439A1 (de)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5515464A (en) * 1992-07-06 1996-05-07 Sheem Sang K Optical fiber interconnections using self-aligned core-extensions
US5323476A (en) * 1992-08-14 1994-06-21 Siemens Aktiengesellschaft Apparatus for increasing the cross section of optical waves
DE4325955C2 (de) * 1993-07-27 1997-09-11 Siemens Ag Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats mit integriertem Wellenleiter und daran angekoppelter optischer Faser
DE4344179C1 (de) * 1993-12-23 1994-10-27 Krone Ag Koppelvorrichtung zwischen einer Glasfaser und einem auf einem Substrat integrierten dielektrischen Wellenleiter
DE19613701A1 (de) 1996-03-29 1997-10-02 Hertz Inst Heinrich Integriert optischer Feldweitentransformator
DE19851628B4 (de) * 1998-11-10 2004-04-15 Attila M. Dipl.-Phys. Bilgic Streifenleitungsanordnung mit integrierten Gaszuführungen für mikrowelleninduzierte Plasmaquellen zur Anwendung in der analytischen Atomspektrometrie
DE10104971A1 (de) * 2001-02-03 2002-09-12 Daimler Chrysler Ag Kombinierte elektrisch/optische Folienleitungen und -schaltungen
DE102008051625B4 (de) * 2008-10-02 2015-08-13 Erich Kasper Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einem optischen Koppelfenster
CN102659070B (zh) * 2012-05-28 2015-05-27 西安交通大学 一种集成光子芯片及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4865407A (en) * 1987-10-22 1989-09-12 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Optical waveguide element, method of making the same and optical coupler employing optical waveguide element
DE4103896C1 (de) * 1991-02-08 1991-11-14 Ant Nachrichtentechnik Gmbh, 7150 Backnang, De

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4865407A (en) * 1987-10-22 1989-09-12 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Optical waveguide element, method of making the same and optical coupler employing optical waveguide element
DE4103896C1 (de) * 1991-02-08 1991-11-14 Ant Nachrichtentechnik Gmbh, 7150 Backnang, De

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 10, no. 26 (P-425)(2083) 31. Januar 1986 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 6, no. 188 (P-144)(1066) 28. September 1982 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 9, no. 56 (E-302)(1779) 12. März 1985 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE4142850A1 (de) 1993-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0629297B1 (de) Integriertes optisches bauelement
EP0498170B1 (de) Integriert optisches Bauelement für die Kopplung zwischen unterschiedlich dimensionierten Wellenleitern
EP0187198B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer integriert - optischen Anordnung
DE3543558C2 (de) Opto-elektrische Koppelanordnung
EP0658784A2 (de) Optoelektronisches Bauelement zum Ein- und Auskoppeln von Strahlung
DE102015219056B4 (de) Halbleiterlichtquelle und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlichtquelle
DE10320376B4 (de) Optische Halbleitervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
EP0332116B1 (de) Verfahren zum monolithischen Herstellen von stirnflächenkoppelbaren optoelektronischen und/oder optischen Bauelementen mit Stegwellenleiterstruktur
WO1993013439A1 (de) Lichtleiterverbindung zum verkoppeln eines wellenleiters und einer faser
DE69815368T2 (de) Hybrides chipverfahren
DE69738279T2 (de) Vertikale Positionierung eines optoelektronischen Bauelements auf einem Träger in Bezug auf einen, auf diesem Träger integrierten optischer Leiter
DE19626130A1 (de) Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter
WO1998000894A2 (de) Optisches halbleiterbauelement mit tiefem rippenwellenleiter
EP0538633B1 (de) Kopplung zwischen optischer Faser und integriertem optischen Wellenleiter sowie Herstellungsverfahren
DE60203322T2 (de) Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements
EP1055141B1 (de) Optische struktur und verfahren zu deren herstellung
DE60001578T2 (de) Optische verbindung für integrierte elektronische schaltkreise und anwendung in kreuzverbindungen von solchen schaltkreisen
DE60204702T2 (de) Verbesserungen für optische vorrichtungen
DE69819502T2 (de) Verbessertes mikro-photonisches modul auf einem einzelsubstrat
DE102010048003B4 (de) Verfahren zur Herstellung von mechanischen Anschlägen zur Selbstjustage und Vorrichtung mit Anschlägen zur Selbstjustage
DE4208278A1 (de) Integriertes optisches bauelement
DE112018006281T5 (de) Adiabatisch gekoppelte photonische systeme mit vertikal abgeschrägten wellenleitern
DE10123137C1 (de) Integriert-optischer Feldweitentransformator zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung
DE102008050766B4 (de) Wellenleiteranordnung und integrierte Optik mit Herstellungsverfahren
EP0744798A1 (de) Anordnung zur Ankopplung eines Lasers

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

122 Ep: pct application non-entry in european phase