DE3809396A1 - Optischer sende- und empfangsmodul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sende- und/oder Empfangs­ modul entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optische Sende- und optische Empfangsmodule sowie kombinierte optische Sende/ Empfangsmodule sind in den Endstellen von Nachrichtenübertragungssystemen über Lichtwellenleiter-Fasern angeordnet. Diese Module werden derzeit mikromechanisch aus einzelnen Subeinheiten aufgebaut, die Subeinheiten enthalten dabei jeweils eine optische, optoelektrische, elektrische oder elektrooptische Komponente, wie z. B. eine Laserdiode, eine Linse, eine Faser oder einen Halbleiterchip. Diese Komponenten sind dabei jeweils mikromechanisch auf einem eigenen Zwischen­ träger befestigt und werden dann, zueinander positioniert, in einem Modulgehäuse fixiert. Dies erfordert viele Einzelteile und damit viele Aufbau- und Justageschritte sowie ein relativ großes Gehäuse. Außerdem ist durch die Größe der Module eine Reihe von Maßnahmen erforderlich, um eine Dejustierung der Koppeloptik bei thermischer Ausdehnung zu minimieren.

Die Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung besteht also darin, optische Sende- und/oder Empfangsmodule der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß diese - auch im Hinblick auf eine Massenfertigung - bei vergleichsweise kleinen Abmessungen leicht herstellbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch optische Sende- und/oder Empfangsmodule der eingangs erwähnten Art gelöst, die durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 enthaltenen Maßnahmen weitergebildet sind. Von besonderem Vorteil beim erfindungsge­ mäßen Aufbau ist die gute Wärmeleitfähigkeit des als Substrat­ material verwendeten Siliziums, durch die der Aufbau von aktiven Komponenten mit größerer Leistungsaufnahme, wie z. B. von Laser­ dioden ermöglicht wird. Weiterhin kann durch Vorzugsätzen, also Ätzen mit einem hinsichtlich der Kristallebenen unterschiedlich aktivem Ätzmittel, hohe Fertigungsgenauigkeit für das einkristal­ line Siliziumsubstrat erreicht werden. In den Patentansprüchen 2-6 sind optische Sende- und/oder Empfangsmodule beschrieben, die im Hinblick auf eine leichte Herstellbarkeit entwickelte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Sende- oder Empfangsmoduls darstellen.

Die Erfindung soll in folgendem mittels in der Zeichnung darge­ stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Sendemodulteil in der Aufsicht und

Fig. 2 den Sendemodulteil nach Fig. 1 mit einem Gehäuseteil in einer schematischen Darstellung,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Sendemodulteils in Verbindung mit dem für den Lasersender benötigten Treiberverstärker,

Fig. 4 einen Empfangsmodulteil mit PIN-Fotodiode und integrier­ tem Foto-Stromverstärker und

Fig. 5 ein kombiniertes Sende-Empfangsmodulteil für Breitband­ anwendung mit einem wellenlängenselektivem Filterplätt­ chen zur Kanaltrennung.

Die Fig. 1 zeigt einen Sendemodulteil mit einer Laserdiode LD in Hybrid-integrierter Bauweise auf einem in (100)-Richtung geschnittenen einkristallinen Siliziumsubstrat SIS, dieser Sen­ demodulteil kann durch Einbau in ein Gehäuse zu einem Sendemo­ dul komplettiert werden. An das Siliziumsubstrat SIS schließt sich nach rechts die LWL-Faser an, die zur Zugentlastung ein Stück in einer Metallkapillare MK eingeklebt ist. Die Licht­ wellenleiter-Faser LWL-F ist dabei innerhalb der Metallkapil­ lare auf einer bestimmten Länge mittels einer Glaslot-Kapil­ lare GK eingeglast, an die sich ein Kunststoffüberzug, das sogenannte Faser-Coating anschließt. Außerdem ist die Metall­ kapillare an der Stirnseite an das Siliziumsubstrat angeglast. Innerhalb des Sendemodulteils ist das freigelegte Endstück SMF der Lichtwellenleiterfaser in einer geätzten V-förmigen Nut N geführt, die von einer schrägen Kante des Siliziumsubstrates SIS bis zu einer vor der Laserdiode angeordneten Nutverbreite­ rung NB reicht, in der zur Fokussierung eine erste Kugellinse KL 1 angeordnet ist.

Im Anschluß an die Nutverbreiterung NB ist die Nut in verengter Form bis zu einer ersten Substratteilfläche geführt, auf der sich die Laserdiode LD befindet und von da in verbreiterter Form bis zu einer zweiten Substratteilfläche, über der sich eine Monitor-Fotodiode MD befindet. Die Laserdiode LD ist mit dem Laserkanal nach unten auf der ersten Substratteilfläche an­ geordnet, die Monitor-Fotodiode MD erhält einen Teil des er­ zeugten Laserlichts über den hinteren Laserspiegel. Die Moni­ tor-Fotodiode MD ist über einer rechtwinklig zur Nut angeord­ neten verspiegelten Kante mit der optisch wirksamen Oberfläche nach unten angeordnet. Zur Befestigung der Laserdiode LD sowie der Monitor-Fotodiode MD sind auf der ersten und der zweiten Substratteilfläche goldhaltige Metallschichten angeordnet, das Faserendstück SMF sowie die erste Kugellinse KL 1 sind mittels Glaslot auf dem Siliziumsubstrat befestigt. Die notwendige Glaslotfläche ist dabei durch maskiertes Aufbringen erzeugt, eine entsprechende Struktur kann aber auch durch Ätzen nach einem ganzflächigen Auftrag erzeugt werden. Das Siliziumsub­ strat SIS nimmt eine Fläche von wenigen mm² ein, die Anordnung der Komponenten erfolgt auf einer Oberflächenseite während die andere Oberflächenseite zur Kontaktierung metallisiert ist. Die Oberlächenseiten stimmen mit der (100)-Ebene des Siliziumein­ kristalls überein.

In der Fig. 2 ist der Sendemodulteil nach Fig. 1 in einem geöffneten Modulgehäuse G dargestellt. Die Metallkapillare MK mit der Lichtwellenleiter-Faser ist in einer Gehäusewandung an der Stelle montiert, an der im Gehäuseinneren die V-förmige Nut N auf dem Siliziumsubstrat SIS beginnt. Erkennbar sind im An­ schluß an die Nut N die erste Kugellinse KL 1, die Laserdiode LD und die Monitor-Fotodiode MD. Weiterhin sind die Anschluß­ pins AP erkennbar, die das isolierende Gehäuse G durchdringen und zur Stromzuführung dienen, außerdem ist mit dem Gehäuse­ boden ein Kühlflansch KF zur Wärmeabführung verbunden.

Die Herstellung der Anordnung nach Fig. 2 erfolgt in der Weise, daß von einer großflächigen einkristallinen Siliziumscheibe ausgegangen wird, in die durch Vorzugsätzen, also Ätzen mit einem hinsichtlich der Kristallrichtungen unterschiedlich aktivem Ätzmittel, eine Vielzahl von Nutstrukturen eingebracht sind. Danach erfolgt das Aufbringen der Metallschichten für die elektrische Verbindung der Laserdiode und der Monitor-Fotodiode und das Aufbringen der zur Befestigung der Kugellinsen und der Faserendstücke erforderlichen Glaslotschichten. Im Anschluß da­ ran wird die Siliziumscheibe in einzelne Streifen getrennt, die jeweils eine Reihe Siliziumsubstrate SIS umfassen. Auf diese Siliziumsubstrate werden die Kugellinsen und die Faserendstücke eingeglast. Danach erfolgt das Vereinzeln der Siliziumsubstrate und der Einbau in ein Gehäuse G, sowie die Verbindung zwischen den Anschlußpins AP und den auf dem Siliziumsubstrat befindli­ chen Metallschichten. Anschließend daran erfolgt das Justieren und Einbauen der Monitor-Fotodiode, der Laserdiode sowie ein abschließendes Einbrennen. Nach einer optischen und elektri­ schen Prüfung des nunmehr funktionsfähigen Laser-Sende-Moduls wird dieser verschlossen und steht für weitere Prüfung und Messungen zur Verfügung.

Im Hinblick auf eine möglichst große Lichteinkoppelung in die Lichtwellenleiter-Faser ist die Laserdiode LD möglichst genau zu justieren. Eine erste Möglichkeit zur Laserjustierung be­ steht dabei im inversen Betrieb der Laserdiode als Fotodiode unter Einkopplung einer zusätzlichen Lichtquelle über das End­ stück SMF und Einjustierung auf maximalen Fotostrom. Dieses Ver­ fahren funktioniert besonders gut bei Laserdioden mit guter seitlicher Wellenführung, wie z. B. bei BH-Laserdioden, von Nachteil ist jedoch die Notwendigkeit eines elektrischen An­ schlusses an die Laserdiode. Eine weitere Möglichkeit der Laserjustierung besteht darin, daß z. B. mittels einer Fernseh­ kamera die Nahfeldverteilung des Lichtes am rückwärtigen Laser­ spiegel beobachtet wird und die Laserdiode auf die zu erwarten­ de Nahfeldverteilung bei Lichtführung im Laserkanal justiert wird. Dieses Justierverfahren ist ohne elektrischen Anschluß an die Laserdiode möglich, setzt jedoch eine Beobachtungsmöglich­ keit für den hinteren Laserspiegel voraus. Eine dritte Möglich­ keit zur Laserjustierung macht sich die Durchlässigkeit der verwendeten Halbleitermaterialien für infrarotes Licht zunutze. Bei diesem Verfahren wird die Streulichtverteilung in der La­ serdiode durch eine Infrarotkamera beobachtet, da bei optimaler Ankopplung des Endstückes an den Laserkanal das Streulicht auf einen schmalen Kanal begrenzt ist.

Zur Erhaltung der hochwertigen optischen Oberflächen wird das Gehäuse G durch einen Deckel hermetisch dicht verschlossen. Bei Verwendung eines metallisierten Keramikgehäuses kann dabei der Deckel und die Metallkapillare MK dichtgelötet werden. Die Faserdurchführung in der Metallkapillare wird durch das Glaslot abgedichtet.

In der Fig. 3 ist ein mit einer Laserdiode LD bestückter Sende- Modul-Teil dargestellt, der im Hinblick auf die Anwendung in Nachrichtenübertragungsstrecken mit Bitraten im Gigabitbereich sehr kurze elektrische Verbindungsleitungen zwischen der ver­ wendeten Laserdiode LD und der dafür benötigten Treiberstufe TS aufweist. Die Anordnung nach der Fig. 3 enthält wiederum auf einem Siliziumsubstrat SIS eine Nut N, die von einer Kante des Substrates aus in Richtung auf die Laserdiode in das Substrat geätzt wurde und das Endstück SMF der Lichtwellenleiterfa­ ser aufnimmt. In der Nutverbreiterung befindet sich wiederum die erste Kugellinse KL 1, im Anschluß an die Nutverbreiterung NB setzt sich die Nut bis zu einer Substratteilfläche fort, über der die Laserdiode mit dem Laserkanal nach unten über einer verspiegelten Kante angeordnet ist. Auf die Verwendung einer Monitor-Fotodiode zur Laserregelung wurde in diesem Fall verzichtet. Auf einem parallel zur Nut angeordneten Teil der Siliziumsubstratoberfläche SIS wurde ein monolitisch integrier­ ter Halbleiterchip TS aufgebracht, der die Treiberstufe für die Laserdiode enthält und mit dieser durch aufgebondete Drähte ver­ bunden ist. Anstelle der Auskopplung des Lichts nach unten kann die Laserdiode - und auch eine Empfangsdiode mit einem ähnli­ chen Lichtkanal wie die Laserdiode - so angeordnet werden, daß die Auskopplung oder die Einkopplung des Lichts über eine senk­ recht zur Substratoberfläche liegende Fläche erfolgt.

In der Fig. 4 ist der wesentliche Teil eines Empfangsmoduls dargestellt, der für Nachrichtenverbindungen mit Bitraten im Gigabitbereich einsetzbar ist. Wie bei der Fig. 3 ist auch in diesem Falle in das Siliziumsubstrat SIS, von einer Kante aus­ gehend, eine Nut eingeätzt und in dieser das Faserendstück SMF befestigt. Die Nut wird durch die Nutverbreiterung NB mit der ersten Kugellinse KL 1 unterbrochen, die Nut setzt sich daran anschließend bis zu einer Substratteilfläche fort, über der eine PIN-Fotodiode PD mit der optisch wirksamen Oberfläche nach unten angeordnet ist. Unter der optisch wirksamen Oberfläche der Fotodiode PD endet die Nut an einer zu dieser rechtwink­ ligen und verspiegelten Kante, durch die das Licht von der waa­ gerechten in die senkrechte Ausbreitungsrichtung umgelenkt wird. Parallel zur Nut N befindet sich auf dem Siliziumsubstrat SIS ein schneller Fotostromverstärker FV, der als monolitisch integrierter Halbleiterchip aufgebaut ist und durch gebondete Drähte mit der Fotodiode BD verbunden ist.

Die Treiberschaltung TS nach der Fig. 3 sowie der Fotostromver­ stärker FV nach der Fig. 4 sind mit im Gehäuse befestigten An­ schlußpins elektrisch verbunden, wie dies beispielsweise in der Fig. 2 erkennbar ist.

In der Fig. 5 ist der wesentliche Teil eines kombinierten Sende-Empfangsmoduls dargestellt, wie er beispielsweise für breitbandige ISDN-Verbindungen verwendbar ist. Auf dem Silizi­ umsubstrat SIS ist wiederum, von einer Kante ausgehend, eine erste Nut N 1 eingeätzt, die zur Aufnahme des Faserendstückes SMF dient. An die erste Nut N 1 schließt sich die Nutverbreite­ rung NB mit der ersten Kugellinse KL 1 an, hinter der im Licht­ weg ein wellenlängenselektives Filterplättchen FP angeordnet ist, das für das örtlich erzeugte Laserlicht durchlässig ist. In Verlängerung der ersten Nut N 1 bzw. der Nutverbreiterung NB befindet sich eine zweite Nut N 2, an deren Ende, unmittelbar vor der Laserdiode LD eine zweite Kugellinse KL 2 angeordnet ist. Am rückwärtigen Ende der Laserdiode geht die zweite Nut N 2 in eine dritte Nut N 3 über, die in einer verspiegelten Kante endet und optisch den rückwärtigen Laserspiegel in der bereits beschriebenen Weise mit der Monitor-Fotodiode MD verbindet.

Für das Empfangslicht ist das Filterplättchen FP als Spiegel wirksam und lenkt das die erste Kugellinse KL 1 verlassende Empfangslicht um 90° zur Fotodiode BD um, bei der es sich, wie bei der Anordnung nach der Fig. 4, um eine PIN-Fotodiode handelt. Für das von der Laserdiode LD erzeugte Licht ist das Filterplättchen durchlässig, so daß dieses Licht über die erste Kugellinse KL 1 in das Faserendstück eingekoppelt wird. Zusätz­ lich sind auf dem Siliziumsubstrat SIS noch zwei integrierte Halbleiterchip angeordnet, die in unmittelbarer Nachbarschaft zur Fotodiode PD bzw. zur Laserdiode LD angeordnet sind, und einen Fotostromverstärker bzw. eine Laser-Treiberstufe ent­ halten.

Der kombinierte Sende-Empfangsmodul nach der Fig. 5 kann beson­ ders vorteilhaft für bidirektionale Nachrichtenübertragung bei­ spielsweise in ISDN-Breitbandnetzen verwendet werden. Bei grö­ ßeren Ansprüchen an die optische Nebensprechdämpfung wird die PIN-Fotodiode PD durch eine speziell ausgebildete Fotodiode ersetzt, die auf ihrer optisch wirksamen Oberfläche zusätzlich ein Sperrfilter für das von der örtlichen Laserdiode LD erzeugte Licht aufweist.

Claims (6)

1. Optischer Sende- und/oder Empfangsmodul einer Nachrichten­ übertragungsstrecke mit LWL-Fasern, mit einem, in einem Gehäuse angeordneten quaderförmigen Trägerkörper, auf dem neben opti­ schen auch optoelektrische und/oder elektrooptische Komponenten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Trägerkörper um ein für alle Komponenten gemeinsames einkristallines Siliziumsubstrat (SIS) handelt, dessen beide größere Oberflächenseiten mit der (100)-Ebene des Siliziumeinkristalls übereinstimmten,
daß dieses Siliziumsubstrat (SIS) auf einer ersten Oberflächen­ seite metallisiert ist und auf einer zweiten Oberflächenseite die Komponenten angeordnet sind,
daß von der zweiten Oberflächenseite aus in das Siliziumsub­ strat (SIS) eine V-förmige Nut (N) zur Aufnahme des Endstückes (SMF) einer LWL-Faser eingearbeitet ist,
daß sich diese Nut (N) von einer Kante des Siliziumsubstrates (SIS) über eine Nutverbreiterung (NB) zur Aufnahme einer ersten fokussierenden Komponente (KL 1) bis zu einer Substratteilfläche erstreckt, auf der wahlweise eine optoelektrische oder eine elektrooptische Komponente angeordnet ist.

2. Optischer Sende- und/oder Empfangsmodul nach Patentan­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (N) zur Aufnahme des Endstückes (SMF) der LWL-Faser und die Nutverbreiterung (NB) durch Vorzugsätzen in der kri­ stallografischen (011)- oder (01-1) -Richtung in das Silizium­ substrat (SIS) eingearbeitet sind.

3. Optischer Sende- und/oder Empfangsmodul nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nut (N) im Anschluß an die Nutverbreiterung (NB) weiter fortsetzt und dort in eine rechtwinklig zur Nut angeord­ nete verspiegelte Kante übergeht, die einen vorbestimmten Win­ kel zur Oberfläche des Siliziumsubstrates (SIS) aufweist und über der, der Kante zugewandt, die optisch wirksame Oberfläche der optoelektrischen oder elektrooptischen Komponente (LD, PD) angeordnet ist.

4. Optischer Sende- und/oder Empfangsmodul dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiver Kanal der elektrooptischen oder optoelektri­ schen Komponente (LD, PD) über der Nut (N) liegt und die Ein- oder Auskopplung des Lichts über eine senkrecht zur Substrat­ oberfläche liegende Fläche erfolgt.

5. Optischer Sende- und/oder Empfangsmodul nach Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kugellinse als erste fokussierende Komponente (KL 1) sowie das Endstück (SMF) der LWL-Faser in der Nutverbreiterung bzw. der Nut mittels Glaslot befestigt sind.

6. Optischer Sende- und Empfangsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Teilnut (N 1) mit einem Faserendstück (SMF) sich von der Kante des Siliziumsubstrates (SIS) bis zur Nutverbreite­ rung (NB) erstreckt, daß die Nutverbreiterung (NB) im Strahlen­ gang nach der ersten Kugellinse (KL 1) ein wellenlängenselekti­ ves Filterplättchen (FP) enthält, durch das vom Faserendstück (SMF) abgegebenes Licht rechtwinklig zu einer Fotodiode (PD) reflektiert wird, daß sich im Anschluß an die Nutverbreiterung (NB) eine zweite Teilnut (N 2) in der Verlängerung der ersten Teilnut (N 1) bis zu einer Laserdiode (LD) mit vorgesetzter zwei­ ter Kugellinse (KL 2) erstreckt, daß die Laserdiode (LD) ein in der Wellenlänge zum vom Faserendstück (SMF) abgegebenen Licht unterschiedliches Licht erzeugt, daß sich die zweite Teilnut (N 2) als vergleichsweise schmaler Kanal unter dem Laserkanal der Laserdiode (LD) fortsetzt und daß sich an diesen Kanal eine dritte Teilnut (N 3) anschließt, die durch eine rechtwinklige verspiegelte Kante abgeschlossen wird, über der die optisch wirksame Oberfläche der Monitor-Fotodiode (MD) angeordnet ist.