DE10163726A1

DE10163726A1 - Ausrichtung optischer Anordnungen

Info

Publication number: DE10163726A1
Application number: DE10163726A
Authority: DE
Inventors: Vilhelm Oskarsson
Original assignee: Zarlink Semiconductor AB
Current assignee: Microsemi Semiconductor AB
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2002-07-04
Also published as: FR2819592A1; SE0104389L; GB0031625D0; CA2365498A1; GB2370373A; SE0104389D0; US20020094175A1

Abstract

Offenbart werden ein Verfahren und ein System zur Verwendung beim genauen Ausrichten von Komponenten in einer aus vielen Elementen bestehenden elektrooptischen Anordnung. Ein oder mehrere Führungsstifte sind im Zusammenwirken mit einer Schicht der Anordnung vorgesehen. Jede verbleibende Schicht ist mit zusammenwirkenden Führungseinrichtungen versehen, die auf die Führungstifte derart passen, daß die verschiedenen optischen Komponenten genau ausgerichtet sind, wenn der Herstellungsprozeß beendet ist. Das System und das Verfahren verringern die Zusammenbauzeit, die durch die typische zeitaufwendige aktive Ausrichtetechnik erforderlich ist.

Description

Diese Erfindung betrifft aus vieleen Elementen bestehende optische Anordnungen und genauer Systeme und Verfahren zum genauen Ausrichten von Elementen während des Herstellens einer optischen Anordnung bzw. eines optischen Aufbaus.

Elektrooptische Schnittstellenvorrichtungen, so wie optische Sender und optische Empfänger, haben eine wichtige Rolle im schnellen Wachstum der Hochgeschwindigkeits- Kommunikation im kurzen und langen Bereich gespielt. Halbleitende lichtemittierende Vor richtungen, so wie flächen- und kantenemittierende Dioden und Laser können maßgeschnei dert werden, um optische Leistung in einem Frequenzbereich zu erzeugen, der gut an her kömmliche Photodioden und optische Fasern angepaßt ist. Bei einer beispielhaften Imple mentation wird zum Beispiel ein flächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum (verti cal cavity surface emitting laser; VCSEL) benutzt, um modulierte optische Leistung zu er zeugen, die in eine im Einzelmodus arbeitende optische Faser gekoppelt wird und zu einem stromabwärtigen Empfänger transportiert wird, wo die optische Leistung an eine Photodiode gekoppelt wird und zurück in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Typischerweise sind solche VCSEL auf einem Träger, einer gedruckten Leiterkarte oder einem Leitungsrahmen angeordnet. Bei einigen Anwendungen kann eine Linse benutzt werden, um den optischen Strahl auf die optische Faser zu fokussieren. Die Ausrichtung solcher Komponenten ist au ßerordentlich kritisch, insbesondere im Einblick auf die sehr geringe Größe des VCSEL und der optischen Faser. Fehlausrichtung selbst um kleine Beträge verringert stark die Einkoppel güte.

Eine oftmals benutzte Herstellungstechnik für optische Anordnungen umfaßt einen aktiven Ausrichteprozeß, bei dem die lichtemittierende Vorrichtung angeregt wird und die Linse und die Faser relativ zu der aktiven Vorrichtung bewegt werden, bis die optimale Kopplung er reicht ist. Dieser Prozeß kann außerordentlich zeitaufwendig sein und trägt somit beträchtlich zu den Herstellungskosten der optischen Anordnung bei.

Daher besteht ein Bedürfnis nach einem System und einem Verfahren, mit denen die ver schiedenen Komponenten der Anordnung genau in einer effizienten Weise ausgerichtet wer den können.

Die vorliegende Erfindung spricht das oben diskutierte Bedürfnis an, indem einer oder mehre re aus einer Vielfalt von Führungsstiften zur Verfügung gestellt werden, denen typischerweise eine der optischen Komponenten zugewiesen wird, beispielsweise das Substrat, auf dem die aktive Vorrichtung angebracht ist, und dann wird jedes der verbleibenden Elemente der An ordnung eine damit zusammenwirkende Ausrichteeinheit aufweisen, derart, daß wenn jedes der Elemente relativ zu dem Führungsstift ausgerichtet ist, jede der Komponenten in der An ordnung genau ausgerichtet sein wird.

Demgemäß wird entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten von Elementen bei der Herstellung einer aus mehreren Elementen bestehen den elektrooptischen Anordnung zur Verfügung gestellt, das die Schritte aufweist: Bereitstel len einer Ausrichteführung und Versehen jedes Elementes der aus mehreren Elementen beste henden Anordnung mit einer damit zusammenwirkenden Führungsrichtung, wobei das Posi tionieren der zusammenwirkenden Führungseinrichtung auf jedem Element relativ zu der Ausrichteführung die Ausrichtung der Elemente besorgt.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein System zur Verwendung beim Ausrichten von Elementen während der Herstellung einer elektrooptischen Anordnung zur Verfügung gestellt, wobei jedes Element eine oder mehrere Komponenten der elektrooptischen Anord nung umfaßt, wobei die Anordnung ein Ausrichteelement und eine damit zusammenwirkende Führungseinrichtung aufweist, die jedem Element der Anordnung zugeordnet ist, wobei das Ausrichten der Führungseinrichtung und des Ausrichteelementes für die Ausrichtung der Komponenten der Anordnung sorgt.

Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten in bezug auf die beigefügten Zeichnungen be schrieben, wobei

Fig. 1 eine Seitenansicht einer optischen Anordnung mit einer aktiven lichtemittierenden Vorrichtung ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht einer Anordnung mit einem optischen Empfänger ist;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Senders und einer Überwachungsanordnung ist;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Abänderung der Anordnung der Fig. 3 ist;

Fig. 5 eine Teilansicht einer Anordnung mit einer teilreflektierenden Linse ist; und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer optischen Anordnung ist, die zugeordnete inte grierte Schaltungen umfaßt.

Fig. 1 veranschaulicht eine praktische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine lichtemittierende Vorrichtung, so wie ein VCSEL 12, auf einem Substrat 14 oder einem anderen geeigneten Träger angebracht ist und die Ausgabe des VCSEL in die optische Faser 16 eingekoppelt wird. In Fig. 1 ist dem Substrat 14 einer oder mehrere Führungsstifte 18 zugeordnet. Der VCSEL 12 kann auf dem Substrat 14 positioniert werden, indem ein Aus richtemarkierer (nicht gezeigt) auf dem Substrat verwendet wird, derart, daß der VCSEL ge nau relativ zu den Führungsstiften 18 positioniert ist. In Fig. 1 wird ein Leiterrahmen 20 benutzt, um die notwendigen elektrischen Verbindungen zu wenigstens einer Seite des VCSEL 12 herzustellen. Der Leiterrahmen 20 ist mit einer Ausrichteführungseinrichtung 22 versehen, die, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ein Loch mit einem geeigneten Durchmesser ist, um es zu ermöglichen, daß der Leiterrahmen 20 über die Führungsstifte 18 fallen kann. Es soll verstanden werden, daß der VCSEL 12 auch hergestellt werden kann, um einen Aufbau vom Typ eine Flipchip zu verwenden, bei dem beide elektrische Kontakte auf derselben Seite sind, und an dem Leiterrahmen 20 befestigt werden kann, indem Lötmittel 24 benutzt wird. Der Leiterrahmen 20 wird über die Führungsstifte 18 gebracht, und in diesem Fall ist es nicht notwendig, irgendeine Ausrichtemarkierung auf dem Substrat vorzunehmen.

Die Linsenanordnung 26 ist auch mit einer Führungseinrichtung 28 in der Form von genau positionierten Löchern versehen. Die Blasenlinse 30, die der Linsenanordnung 26 zugehörig ist, wird relativ zu der Führungseinrichtung 28 derart positioniert, daß, wenn die Linsenan ordnung auf den Führungstiften 18 angebracht ist, sich die Blasenlinse 30 sich direkt über der aktiven oder lichtemittierenden Region des VCSEL 12 befindet. Schließlich wird die optische Faser 16 direkt in einem Trägerelement 32 gehalten, das wiederum mit einer Führungsein richtung 34 versehen ist, so daß wenn der Faserträger über den Führungsstiften 18 positioniert ist, die Faser 16 genau in bezug auf die Linse 30 und den aktiven Bereich des VCSEL 12 aus gerichtet ist.

Die Führungsstifte 18 der Fig. 1 können im Querschnitt kreisförmig sein, im Querschnitt quadratisch oder tatsächlich konisch. Weiter, obwohl die Führungsstifte so gesehen werden, daß sie dem Substrat 14 zugeordnet sind, wird es dem Fachmann deutlich, daß sie irgendeiner der anderen Komponenten der Anordnung zugeordnet sein können. Zum Beispiel können die Stifte Teile des Linsenhalters 26 sein, wobei sie in diesem Fall in die geeigneten Löcher der verbleibenden Elemente eingreifen werden. Die Stifte können aus Metall hergestellt sein, so wie Aluminium, einem genau geätzten Halbleitermaterial, Keramik, Kunststoff oder anderen Materialien, wie es dem Fachmann deutlich werden wird.

Obwohl die Führungseinrichtungen als Löcher durch die jeweiligen Elemente dargestellt sind, wird auch verstanden werden, daß diese einfach geeignet konturierte Formen sein können, so wie Nuten in den Kanten der verschiedenen Elemente der Anordnung.

Die Führungsstifte 18 können auch in der Form von Kugeln, hakenartigen Vorrichtungen oder Clips vorliegen, die, wie oben angegeben, dauernd einem der Elemente zugewiesen sind, oder sie können aus einem Typ bestehen, der entfernt werden kann, nachdem die Anordnung fer tiggestellt ist und in geeigneter Weise örtlich gesichert ist.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung ähnlich der, die in Fig. 1 gezeigt ist, mit der Ausnahme, daß sie nun einen optischen Empfänger 36 aufweist, beispielsweise eine Photodiode. Bei dieser Implementation wird die optische Energie von einer stromabwärtigen Quelle (nicht gezeigt) von der optischen Faser 16 durch die Linse 30 und auf den aktiven Empfänger 36 gekoppelt. Wie bei vorangehenden Aspekt ist jede der Komponenten relativ zu den anderen ausgerichtet, indem die Führungsstifte 18 benutzt werden, die in Fig. 2 nicht gezeigt sind.

Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen eine Anwendung, bei der die Ausrichtung der Linsen anordnung relativ zu den aktiven Vorrichtungen kritisch ist. In Fig. 3 wird die relative Aus gabe des VCSEL 12 von einem Photodetektor 36 überwacht, in dem ein Teil der Ausgabe des VCSEL zurück zu dem Detektor reflektiert wird, indem reflektierende Oberflächen der genau positionierten Linse 40 verwendet werden.

Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel einer Linsenanordnung 42, bei der die optische Übertragung einer kantenemittierenden Vorrichtung 44 aus der Anordnung durch die unter 45 Grad liegen de Oberfläche 46 der Linse 42 ausreflektiert wird. Die Emission von der Rückfacette der kantenemittierenden Vorrichtungen 44 wird durch die Oberfläche 48 abgelenkt und durch die Flächen 50 und 52 zu dem Detektor 36 reflektiert. Wieder muß die Linsenanordnung 42 ge nau in bezug auf den Emitter 44 und den Monitor 36 positioniert werden, und diese genaue Positionierung kann erreicht werden, indem der Ausrichteprozeß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die Linsenanordnung eine teilreflektierende Ober fläche hat, so daß ein Teil der Emission an einen geeignet positionierten Detektor rückgeführt wird.

Fig. 6 zeigt eine weitere Version der Anordnung der Fig. 1. In diesem Fall hat eine ge druckte Leiterkarte 60 Führungsschienen 61 für die Befestigung verschiedener aktiver Kom ponenten, die relativ zu der Führungseinrichtung 18 positioniert sind. Diese Komponenten können beispielsweise ein VCSEL 12 (oder eine Photodiode, zum Beispiel eine PIN-Diode) sein, Vor- und/oder Nachverstärker 62, Treiberchips 64, Kondensatoren usw.

Es wird den Fachleuten deutlich werden, daß das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung selbst zur Herstellung einer Vielfalt von Anordnungen führen wird, wobei Kompo nenten auf einer Schicht genau relativ zu Komponenten auf Schichten darüber und/oder dar unter ausgerichtet werden müssen. Solche Elemente können zusätzlich zu den oben genannten Komponenten eine oder mehrere Wege haben, um mehrere Wellenlängen zu kombinieren oder zu teilen. Die Schichten können auch mechanische oder gegen die Umgebung schützen de Abdeckungen haben, um gegen Feuchtigkeit, Staub usw. zu schützen. Die optischen Ele mente können zusätzlich zu einer Linse Spiegel, antireflektierende Schichten oder andere op tische Schichten oder Fasern umfassen.

Obwohl die besonderen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht worden sind, würde es dem Fachmann deutlich, daß verschiedene Änderungen bei diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne daß man sich vom zugrundeliegen den Konzept der Erfindung entfernt. Es wird verstanden, daß solche Abänderungen in den vollen Umfang der Erfindung fallen werden, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Offenbart werden somit ein Verfahren und ein System zur Verwendung beim genauen Aus richten von Komponenten in einer aus vielen Elementen bestehenden elektrooptischen An ordnung. Ein oder mehrere Führungsstift; sind im Zusammenwirken mit einer Schicht der Anordnung vorgesehen. Jede verbleibende Schicht ist mit zusammenwirkenden Führungsein richtungen versehen, die auf die Führungsstifte derart passen, daß die verschiedenen optischen Komponenten genau ausgerichtet sind, wenn der Herstellungsprozeß beendet ist. Das System und das Verfahren verringern die Zusammenbauzeit, die durch die typische zeitaufwendige aktive Ausrichtetechnik erforderlich ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbar ten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

BEZUGSZEICHENLISTE

12

VCSEL

14

Substrat

16

optische Faser

18

Führungsstift

20

Leiterrahmen

22

Ausrichteführung

24

Lötmittel

26

Linsenanordnung

28

Führungseinrichtung

30

Blasenlinse

32

Trägerelement

36

optischer Empfänger

40

Linse

42

Linsenanordnung

44

Kantenemittierende Vorrichtung

46

Oberfläche mit 45 Grad

48

Oberfläche

50

Oberfläche

52

Oberfläche

60

gedruckt Leiterkarte

61

Führungsschienen

62

Verstärker

64

Treiberchips

Claims

1. Verfahren zum Ausrichten von Elementen bei der Herstellung einer aus mehreren Ele menten bestehenden elektrooptischen Anordnung, mit den Schritten:

- Bereitstellen einer Ausrichteführung; und
- Versehen jedes Elementes der aus mehreren Elementen bestehenden Anordnung mit damit zusammenwirkenden Führungselementen, so daß das Positionieren der zu sammenwirkenden Führungseinrichtung auf jedem Element relativ zu der Ausrichte führung für die Ausrichtung der Element sorgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jedes Element eine Komponente der elektroopti schen Anordnung umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem jede Ausrichteführung ein Führungsstift ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Führungsstift einstückig mit einem der Ele mente der aus mehreren Elementen bestehenden Anordnung gebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Führungsstift einstückig mit einem Montage substrat gebildet ist, auf dem sich eine aktive Vorrichtung befindet, wobei die aktive Vorrichtung in bezug auf den Führungsstift ausgerichtet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Elemente der aus mehreren Elementen beste henden Anordnung ein Substrat mit einer aktiven Vorrichtung, einen Leiterrahmen, eine Linse und einen Träger für eine optische Faser umfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Führungsstift einen quadratischen Querschnitt oder einen runden Querschnitt aufweist oder konisch ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Führungsstift entfernt wird, nachdem die elek trooptische Vorrichtung hergestellt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zusammenwirkende Führungseinrichtung ein Loch in jedem der Elemente ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zusammenwirkende Führungseinrichtung eine geformte Kante jedes der Elemente ist.

11. System zur Verwendung beim Ausrichten von Elementen während des Herstellens einer elektrooptische Anordnung, wobei jedes Element eines oder mehrere Komponenten der elektrooptischen Anordnung umfaßt, wobei das System aufweist:

- ein Ausrichtelement; und
- eine damit zusammenwirkende Führungseinrichtung, die jedem der Elemente der Anordnung zugeordnet ist, wobei das Ausrichten der Führungseinrichtung und des Ausrichteelementes für die Ausrichtung der Komponenten der Anordnung sorgt.

12. System nach Anspruch 11 mit wenigstens zwei Ausrichteelementen.

13. System nach Anspruch 11, bei dem die Komponenten eines oder mehreres des folgenden aufweisen: eine aktive Halbleitervorrichtung, einen Träger, einen Leiterrahmen, eine Linse und eine optische Faser.

14. System nach Anspruch 11, bei dem jeweilige Komponenten im Zusammenwirken mit jeweiligen Elementen relativ zu der Führungseinrichtung derart positioniert sind, daß die Komponenten in einem Einbauzustand ausgerichtet sind.

15. System nach Anspruch 14, bei dem das Ausrichteelement ein Führungsstift ist, der sich in einem der Elemente befindet.