DE2754923A1 - Selbstausrichtende optische traegeranordnung fuer optische bauelemente - Google Patents

Selbstausrichtende optische traegeranordnung fuer optische bauelemente

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DE2754923A1 DE19772754923 DE2754923A DE2754923A1 DE 2754923 A1 DE2754923 A1 DE 2754923A1 DE 19772754923 DE19772754923 DE 19772754923 DE 2754923 A DE2754923 A DE 2754923A DE 2754923 A1 DE2754923 A1 DE 2754923A1
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Description

-A-
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504 heb-pi
Selbstausrichtende optische Trägeranordnung für optische Bauelemente
Die Erfindung betrifft eine selbstausrichtende optische Trägeranordnung für optische Bauelemente und insbesondere für integrierte optische Geräte und Anordnungen.
Aus der US-Patentschrift 3 864 018 vom 4. Februar 1975 ist es bekannt, zwei Platten mit einander gegenüberliegenden komplementären V-förmigen Nuten zum Ausrichten und Festhalten von phaseroptischen Wellenleitern zum Spleißen oder Verbinden zu benutzen. Ferner ist es aus der US-Patentschrift 3 774 987 vom 27. Nov. 1973 bekannt, eine krlstallographisch geätzte V-förmige Nut in einem Substrat mit einem planaren einstückigen Dünnfilmwellenleiter als Träger für eine Faseroptik in Ausrichtung mit dem Wellenleiter einzusetzen. Die vorliegende Erfindung kombiniert und erweitert die aus dem Stand der Technik bekannten Prinzipien und schafft eine optische Trägeranordnung, bei der zwei ober mehr \ Halbleiterscheiben ein Muster von komplementären Nuten, Leisten \ und Vertiefungen aufweisen, die vorzugsweise durch kristallo-. graphisches Ätzen hergestellt sind, und einstückig damit optische und elektrooptische Bauelemente enthalten, die durch ! Zusammenwirken der komplementären Nuten und Leisten ausgerichtet sind und als integriertes optisches System arbeiten, wobei die komplementären Nuten und Vertiefungen ferner dazu eingerichtet sind, nicht befestigte optische Bauelemente, wie z.B. Linsen und Lichtleiter, zu tragen und auszurichten ; für eine Wechselwirkung mit den durch die Scheiben gebildeten
i optischen Bauelementen. i
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- 5 -Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung 1st es also, eine optische Anordnung zu schaffen, bei der eine Anzahl optischer Bauelemente durch das gegenseitige Zusammenwirken von mindestens zwei Trägerplatten oder Scheiben getragen und ausgerichtet sind, die ein komplementäres Muster übereinstimmender geometrischer Formen einschließlich von Nuten, Hohlräumen und dergleichen aufweisen, wobei die Träger mit integralen optischen und elektrischen Bauelementen versehen sind, während nicht befestigte optische Bauelemente durch die komplementären übereinstimmenden Nuten und Hohlräume an ihrem Ort gehalten und getragen werden, während die Scheiben durch das komplementäre Muster von geometrischen Formen exakt miteinander ausgerichtet sind.
Insbesondere soll die Ausrichtung von zwei optischen Bauelementen dadurch sichergestellt werden, daß komplementäre Nuten in einander gegenüberliegenden zusammenpassenden Oberflächen der beiden Elemente vorgesehen sind, während eine : zylindrische Leiste eine optische Faser ist, die optisch mit , den optischen Bauelementen der beiden optischen Trägerscheiben zusammenwirkt. I
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen ' in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 1a eine Teilquerschnittsansicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung und
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Fig. 3 eine ähnlich Fig. 1 aufgebaute weitere Aus-
führungsform der Erfindung.
In Fig. 1 wird ein Siliziumsubstrat 10 verwendet, das so orientiert ist, daß seine <100> Achse senkrecht zur Oberfläche der Scheibe verläuft. Diese Orientierung erleichtert das Atzen einer Reihe von parallelen V-förmigen Nuten 10a bis 10m und einer diese senkrecht dazu schneidenden Nut 1On. Diese werden unter Verwendung einer Oxidmaske und einer Lösung aus Ethylendiamin-Pyrocatechol und Wasser in die Hauptflache des Substrats eingeätzt (vgl. M.J. Declerg und andere, J. Electrochem. Soc, 122, Seite 545, April 1975). Die Atzgeschwindigkeit ist bei dieser Lösung anisotrop, wobei die <111> Flächen am langsamsten geätzt werden, so daß sich die gewünschten V-förmigen Nuten ergeben. Die Genauigkeit in der Position und die Abmessungen der fotolithographisch definierten Oxidmaske und die Steuerung des Atzverfahrens ergeben Toleranzen in den Nuten von weniger als 1 Mikron.
Faseroptische Wellenleiter (12a bis 12m) werden derart
in die par alle In Nuten 10a bis 10m eingelegt, daß die Enden
der Fasern sich unmittelbar an eine in die senkrecht dazu i !verlaufende Nut 1On eingelegte zylindrische Linse 14 anlegen.
Die faseroptischen Wellenleiter haben einen Durchmesser von j 85 bis 90 um mit einer numerischen Apertur von 0,15. Die zylindrische Linse ist ebenfalls eine optische Faser mit einem Durchmesser von 125 um. Diese Linse dient als Kolli- : matorlinse für das von einer Anzahl von Festkörperlasern 20 ausgehende divergierende Licht und zum Einkoppeln dieses Lichts in die einzelnen optischen Fasern.
Die Laseranordnung 20 verwendet vorzugsvreise GaAlAs, Laser mit Doppel-Heterostruktur, bei denen Oxidstreifen, Sauerstoffionen-Implantationsverfahren und eine Anzahl diskreter
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Elektroden 20a bis 20m die Laseranordnung in eine Anzahl einzeln ansteuerbarer Festkörperlaser unterteilt, deren aktive Schicht dann mit der Achse der zylindrischen Linse ausgerichtet ist, wenn die Laseranordnung über das Halbleitersubstrat in der durch den Pfeil angedeuteten Heise gedreht und angebracht wird.
Um eine genaue relative Ausrichtung der Laseranordnung 20 mit dem Substrat 10 sicherzustellen, sind weitere V-förmige Nuten 1Op und 1Or in das Substrat 10 und komplementäre Muten 20p und 2Or in die Laseranordnung 20 eingeätzt. Zwei kurze Stücke optischer Fasern 16 und 18 passen in diese V-förmigen Nuten und legen damit die Laseranordnung in seitlicher Richtung in bezug auf das Substrat 10 fest. Die Position in Längsrichtung wird durch die Linse 16 bestimmt, an der die Laseranordnung anliegt. Die Elektroden 20a bis 2Om sind durch ein Indium- oder Zinnlot vorverzinnt, so daß sie mit den auf dem Substrat 10 niedergeschlagenen Kontakten 22a bis 22m
elektrisch leitend verbunden werden können, so daß elektrisch : eine Einheit entsteht und die Laseranordnung in ihrer Position festgelegt wird. Diese Kontakte gestatten das Anlegen von , Potentialen an die einzelnen diskreten Laser in der Laser- -anordnung 20, wobei eine gemeinsame Gegenelektrode 2On vorgesehen ist.
Andererseits können zur Ausrichtung der Laseranordnung mit dem; Substrat 10 pyramidenförmige Sockel in das Substrat 10 und . in die Laseranordnung 20 geätzt werden und anstelle der zylinderförmigen Fasern können kleine Kügelchen zum Ausrichten benutzt werden, wie dies beispielsweise Fig. 1a zeigt. Ein drittes Verfahren besteht darin, eine V-förmige Nut in das ' eine Teil und eine komplementäre V-förmige Nut in das andere Teil einzuätzen. Allen Verfahren ist das Atzen in Vor-
ϊ0 "6oT" YiTeeiT/äesV
zugsrlchtung von komplementären geometrischen Formen zum Erzielen einer Auerichtung gemeinsam.
In der Laseranordnung 20 wurden die Divergenzwinkel in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Übergangs mit 40 bis 50 und in einer Ebene parallel zur Ebene des Schichtübergangs mit 6 bis 10 gemessen. Das Ausgangssignal des Lasers kann durch die zylindrische Linse auf weniger als 6 , senkrecht zur Ebene des Schichtübergangs, kollimiert werden, während das Ausgangssignal parallel zur Ebene des Übergangs dabei nicht verschlechtert wird. Gesamtwirkungsgrade bis fast 70% wurden gemessen.
Die anhand von Fig. 1 beschriebene Ausrichtung kann dahingehend erweitert werden, daß auch aktive Elemente in dem Siliziumsubstrat mit aufgenommen werden. Da Silizium ein Halbleiter ist, kann es dotiert und mit Elektroden versehen werden, so daß in die integrierte Packung auch andere Funktionen aufgenommen werden können. Eine derartige Funktion zeigt Fig. 1A in einem Teilquerschnitt durch das Substrat 10 und die darüberliegende Laseranordnung 20, wobei in dem Substrat 10 zusätzliche dotierte Zonen vorgesehen sind, um die halbleitenden Eigenschaften von Silizium auszunutzen. Die Querschnittsansicht zeigt die Laseranordnung 20 mit ihrer allen Lasern gemeinsamen Elektrode 2On und den mit den einzelnen Kontakten 22a, 22b und 22c verbundenen Elektroden 20a, 20b und 20c sowie die komplementären V-förmigen Nuten 20p und 10p sowie die Ausrichtfaser 16. Außerdem ist an jedem Kontakt 22a, 22b und 22c ein η-leitender übergang durch Hinzufügen einer η-leitenden Zone in dem p-leitenden Material des Substrats 10 vorgesehen. Jeder dieser p-n-übergänge ist durch Anlegen eines negativen Potentials an der Elektrode 22s in Sperrichtung vorgespannt, wobei diese Elektrode 10S auf der Unterseite des Substrats 10 gemeinsam für : alle neugebildeten Schichtübergänge vorgesehen ist, während
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em den einzelnen Kontakten 22a usw. ein positives Potential angelegt ist. Die Elektrode 20a ist zum Einleiten der Laserwirkung negativ vorgespannt. Diese negativ vorgespannten p-n-Ubergänge sind wärmeempfindlich und dienen dazu, das Arbeiten eines jeden Lasers in der Anordnung zu überwachen.
Eine andere Vorrichtung zur überwachung des Ausgangssignals der einzelnen Laser 1st in Fig. 2 gezeigt. Diese Figur unterscheidet sich von Fig. 1 darin, daß die Positionen der gemeinsamen Elektrode und der einzeln zugeordneten Elektroden umgekehrt ist. Dadurch wird der Kontakt von dem Substrat 10 weggenommen, so daß für jeden der Laser in dem Siliziumsubstrat ein Fotodetektor hergestellt werden kann. Da das vom Laserschichtübergang ausgehende Licht unter 40 bis 55° divergiert, wird das von der rückwärtigen Oberfläche ausgehende Licht die Fotodetektoren anstrahlen. Dabei wird der rückwärtige Spiegel so weit lichtdurchlässig gemacht, daß gerade soviel Lichtstrahl austreten kann, um damit den Fotodetektor zu beeinflussen.
Gemäß Fig. 2 ist das Substrat 110 mit identischen Nuten zum Ausrichten der Glasfasern, der zylindrischen Linse und Ausrichtleisten versehen wie in Fig. 1. Eine gemeinsame Elektrode 131 für die Fotodetektoren 130a bis 130c (nur drei sind gezeigt) wird auf der Unterseite des Substrats 110 niedergeschlagen. Die Fotodetektoren werden in Form diffundierter p-n-Ubergänge in einem p-leitenden Siliziummaterial mit einer darüberliegenden hufeisenförmigen Elektrode 132a, 132b und 132c hergestellt, an denen die elektrischen Anschlüsse hergestellt werden.
Die Laseranordnung ist genauso aufgebaut wie in Fig. 1, nur i das die allen Lasern gemeinsame Elektrode und die den Lasern ' einzeln zugeordneten Elektroden 120a bis 12m (nur drei sind j
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gezeigt) vertauscht sind. Mit dieser Anordnung von Fotodetektoren kann das Ausgangssignal eines jeden Lasers überwacht werden, und wenn die Servoschleife geschlossen ist, läßt sich das Ausgangssignal zum Einhalten eines vorbestimmten Pegels steuern.
Eine weitere Extra-Polierung der Erfindung zeigt Fig. 3, wo zwischen der Laseranordnung und den ausgangsseitigen Wellenleitern ein Modulator oder Lichtventil angebracht ist. Diese elektrooptische Anordnung wird vorteilhafterweise aus einem elektro-optisehen Material mit einer gemeinsamen Elektrode 23On und einer Anzahl von getrennten Elektroden 23Oa bis 23Om auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats gefertigt. Das Substrat 230 wird mit dem Substrat 210 durch die bereits beschriebenen komplementären geometrischen Formen ausgerichtet und schließt sowohl an eine zylindrische Linse 216, die in einer V-förmigen Nut 21On liegt, als auch an die optischen Fasern 212a bis 212m an. Das Substrat 21O trägt ferner eine Reihe von Kontakten mit Leitungen 222a bis 222m und weist ferner eine Laseranordnung 220 auf, die ähnlich wie in Fig. 1 gezeigt, aufgebaut und angekoppelt sein kann.
Der Modulator könnte ebenfalls unmittelbar auf dem Siliziumsubstrat durch das aufeinanderfolgende Niederschlagen der Elektrode, der elektrooptischen Schicht und der einzelnen Elektroden hergestellt werden. Der Laser kann ebenfalls ein kontinuierlich arbeitender Laser sein, der nur deswegen in einzelne Segmente oder Abschnitte unterteilt ist, um eine ,Laserwirkung in einem Bereich gegenüber den einzelnen optisehen Fasern sicherzustellen, wobei eine Modulation nur ,'durch den Modulator der Modulatoranordnung erzielt wird. Andere Formen von Modulatoren, wie z.B. magnetooptische und akustooptische Modulatoren, können ebenfalls eingesetzt und !mit den Nuten und Leisten ausgerichtet werden.
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Verschiedene Ausführungsformen einer Integrierten optischen Anordnung wurden beschrieben. Bei allen diesen Anordnungen wird eine kritische Ausrichtung der aktiven und passiven Bauelemente durch in Vorzugsrichtung geätzte komplementäre geoemtrische Formen erzielt· Dabei war als bevorzugtes Material für das Substrat Silizium angegeben worden, weil es sich besonders leicht in Vorzugsrichtung ätzen läßt und weil es außerdem ein guter Wärmeableiter ist. Das erfindungsgemäße Prinzip kann in gleicher Heise auch auf andere Materialien angewandt werden.
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Leerse ite

Claims (8)

  1. P ATENTAHS PR(ICHE
    ( 1. ,) Selbstausrichtende optische Anordnung gekennzeichnet, durch ein erstes mit einer Anzahl V-förmiger paralleler Nuten (10a bis 1Qm) und einer zweiten, die ersten Nuten schneidenden, dazu senkrecht verlaufenden Nut (1On) versehenes Substrat (10), durch eine in die zweite Nut (1On) eingelegte zylindrische Linse (14), durch eine Anzahl in die ersten Nuten (10a bis 10m) eingelegter optischer Fasern (12a bis 12m), deren Enden mit der zylindrischen Linse (14) ausgerichtet sind, sowie durch eine Festkörper-Laseranordnung (20), deren Endflächen die Laserresonatoren bestimmen, mit einer Anzahl von Elektroden (20a bis 2Om), die bei Anliegen eines entsprechenden Potentials eine Besetzungsinversion und damit eine Strahlungsemission in dem Resonator in einer Anzahl paralleler Bahnen stimulieren, wobei die Laseranordnung mit ihren Elektroden an dem Substrat in der Weise angebracht ist, daß eine der Endflächen des Resonators gegenüber der zylindrischen Line (14) liegt.
  2. 2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und die Laseranordnung mit komplementären geometrischen Formen (10p, 1Or, 20p, 2Op) versehen sind, durch deren wechselseitige Einwirkung die gegenseitige Lage der beiden Teile festgelegt ist.
  3. 3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die komplementären geometrischen Formen V-förmige Nuten (10p und 1Or bzw. 20p und 2Or) in den entsprechenden Teilen sind, in die eine zylindrische Leiste (16) eingelegt ist.
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    JAWIÖIfiO
  4. 4. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die komplementären geometrischen Formen pyramidenförmige Vertiefungen sind, in die ein kugelförmiges Teil (116) eingelegt ist.
  5. 5. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die komplementären geometrischen Formen aus einem Zapfenloch in einem der beiden Teile und einem dazu passenden Zapfen an dem anderen der beiden Teile bestehen.
  6. 6. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) mit einer Anzahl von Kontakten (22a bis 22m) versehen ist, die den gleichen Abstand voneinander aufweisen, wie die Elektroden (20a bis 20m) der an dem Substrat angebrachten Laseranordnung (20) .
  7. 7. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Substrat (10) eine Anzahl aktiver Halbleitervorrichtungen (130a bis 130c) vorgesehen sind, während die Laseranordnung (20) eine entsprechende Anzahl von Festkörperlasern enthält, die im zusammengebauten Zustand mit den aktiven Halbleitervorrichtungen gekoppelt sind, und daß damit das von den Festkörperlasern ausgehende Licht über die Linse (16) in die in den Nuten (10a bis 10m) liegenden Lichtleiterfasern (12a bis 12m) und in die aktiven Halbleitervorrichtungen einkoppelbar ist.
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    275A923
  8. 8. Optische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß das Substrat (1O) aus p-leitendem Silizium besteht und zur Bildung von p-n-UbergSngen für die Halbleitervorrichtungen in der Oberfläche des Substrats eine entsprechende Anzahl η-leitend dotierter diffundierter Ionen enthält, die innerhalb der Strahlung der Festkörperlaser liegen, und bei Vorspannung in Sperrrichtung auf die wärmestrahlung jedes der Laser ansprechen.
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