DE68912790T2 - Herstellungsmethode eines Bauelements, das aus einem optoelektronischen Element und einem angekoppelten optischen Wellenleiter besteht. - Google Patents

Herstellungsmethode eines Bauelements, das aus einem optoelektronischen Element und einem angekoppelten optischen Wellenleiter besteht.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbauen von Gegenständen, die eine optoelektronische Einrichtung, wie z.B. einen Laser, umfassen und die ferner einen optischen Welienleiter, wie z.B. einen lateral eingeschlossenen, integrierten Wellenleiter oder eine optische Faser umfassen, die an die Einrichtung optisch gekoppelt sind.
  • Auf verschiedenen technischen Gebieten, z.B. in der optischen Kommunikationstechnik und bei optischen Sensoren, besteht die Notwendigkeit, eine optische Einrichtung, wie z.B. eine Strahlungsquelle oder einen Detektor, an einen optischen Wellenleiter, wie z.B. einen lateral eingeschlossenen, integrierten Wellenleiter oder an eine optische Faser zu koppeln.
  • Die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses mit einer Einrichtung, wie z.B. einem Laser und einem daran gekoppelten Faserleiter, umfassen generell das Sichern der Einrichtung an einer Befestigung oder einem Kopfteil, so daß elektrischer Kontakt zu der Einrichtung hergestellt werden kann, und das aktive Ausrichten der Paser in Bezug auf den aktiven Bereich der Einrichtung so ermöglich wird, daß sich der erwünschte optische Kopplungsgrad ergibt; 3. beispielsweise die US-Patente 4 119 363 und 4 296 998 (= GB-A-2 065 918). Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls Abwandlungen dieses allgemeinen Verfahrens bekannt, in welchen Strukturen zur Verfügung gestellt sind, die korrekte Ausrichtung einer optischen Faser relativ zu dem aktiven Bereich der Einrichtung ohne aktive Justierung erlauben. Beispielhaft für derartige Zitate sind die USPatente 4 326 771 und 4 411 057 genannt.
  • Herkömmliche Verfahren sind nicht für die Herstellung von Gehäusen bzw. Paketen geeignet, die einen festgelegten optischen Wellenleiter enthalten, und erfordern präzise Justierung des Wellenleiters zu dem aktiven Bereich der Einrichtung. Diese Anmeldung beschreibt ein Verfahren, das diese Nachteile überwindet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch 1 definiert zur Verfügung gestellt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbau eines Gegenstandes eine optoelektronische Einrichtung und einen optischen Wellenleiter, wobei die Einrichtung und der Wellenleiter optisch gekoppelt werden. Das Verfahren umfaßt das Einwirkenlassen von elektromagnetischer Pumpstrahlung auf die vorhergehend ausgerichtete Einrichtung, so daß die Einrichtung veranlaßt wird, elektromagnetische Strahlung (durch Fotolumineszenz) zu emittieren. Dies impliziert, daß wenigstens der Teil der Einrichtung zwischen der beleuchteten Oberfläche und dem aktiven Bereich der Einrichtung für Pumpstrahlung ausreichend transparent ist, so daß ein effektiver Betrag an Pumpstrahlung den aktiven Bereich erreicht und dort absorbiert wird Das Verfahren umfaßt ferner das Erfassen wenigstens eines Teils der durch die Einrichtung emittierten Strahlung durch eine spezielle Einrichtung. Das Verfahren umfaßt ebenfalls das Justieren (falls durch das Signal von der Detektionseinrichtung angezeigt) der relativen Position der Einrichtung und des Wellenleiters, so daß sich ein erwünschter Grad an optischer Kopplung zwischen der Einrichtung und dem Wellenleiter ergibt Nach dem Erreichen des erwünschten Grades an Kopplung wird die Einrichtung an dem Substrat in der gekoppelten Position gesichert.
    • Figurenbeschreibung
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen beispielhaften Gegenstand, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird,
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • Fig. 3 zeigt schematisch einen Teil eines optischen Paserkommunikationssystems mit einem optischen Verstärker, der in erfindungsgemäßer Weise hergestellt wurde, und
  • Fig. 4 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des Befestigungsbereiches auf einem Si-Substrat, das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nützlich ist.
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Gegenstand 10 mit einem Substrat 14 mit einem darauf seitlich berandeten bzw. eingeschlossenen, integrierten Wellenleiter 16. Das Substrat besteht vorzugsweise aus Si, kann aber aus einem beliebigen anderen, geeigneten Material, wie z.B. Glas, Lithiumniobat, oder einem anderen Halbleiter, wie z.B. GaAs oder InP, bestehen. Der Wellenleiter kann herkömmlicher Natur sein, ist jedoch vorzugsweise von dem in dem US-Patent 4 902 086 (C. H. Henry et al.) beschriebenen Typ. Das Substrat umfaßt eine Einrichtung 18 zum Sichern einer optischen Faser an dem Substrat in gekoppeltem Verhältnis zu dem seitlich eingeschlossenen integrierten Wellenleiter 16. Die Einrichtung 18 ist eine V-Furche, die in das Substrat geätzt ist, von dem in dem US-Patent 4 937 653 (G. E. Blonder "Device Including a Component in Alignment with a Substrate-Supported Waveguide") beschriebenen Typ. Der Gegenstand umfaßt einen Bonding- bzw. Befestigungsbereich 15, der eine planare metallsierte Anschlußfläche enthalten kann, oder der ein nichtplanares Profil haben kann, welches das Bonden der Einrichtung an dem Substrat erleichtert, während die Ausrichtung der Einrichtung relativ zu dem festgelegten Wellenleiter 16 aufrechterhalten wird. Eine beispielhafte Ausführungsform des Befestigungsbereiches ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Das Substrat umfaßt ferner einen zweiten, lateral eingeschlossenen, integrierten Wellenleiter 17, der optisch an 16 gekoppelt ist, einen Frontflächen-Überwachungsbondingbereich 16 und einen Empfängerbondingbereich 20, die beide lediglich schematisch dargestellt sind. Sowohl die Frontflächenüberwachungseinrichtung als auch der Empfänger sind auf den jeweiligen Bondingbereichen so zu befestigen, daß sie optisch an 17 gekoppelt sind. Dieser Typ ist ebenfalls in dem US-Patent 4 904 036 (G. E. Blonder) beschrieben. Die Funktion des Substrates ist analog zu der einer optischen Bank, und es kann als solche bezeichnet werden.
  • Fig. 1 zeigt schematisch den Halbleiterlaser 11 (mit Metallisierungsschichten 12 und 121 und dem Halbleiterkörper 122, der auf 15 anzuordnen, elektrisch zu verbinden und mechanisch daran in gekoppeltem Verhältnis zu 16 zu sichern ist. Der Laser umfaßt ein Fenster oder eine Öffnung 13 in der Metallisierungsschicht 12, so daß Pumpstrahlung in den Halbleiterkörper eingebracht werden kann. Wie für Fachleute auf diesem Gebiet zu erkennen ist, erfordert ein Substrat, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, eine Einrichtung zum Herstellen elektrischer Kontakte zu allen aktiven Einrichtungen darauf (z.B. Laser, Empfänger und Frontseitenüberwachungseinrichtungen). Derartige Einrichtungen sind üblich und nicht dargestellt. Der elektrische Kontakt zum Laser wird typischerweise mittels herkömmlichen Drahtbondens an der oberen Metallisierungsschicht vorgenommen. Jedoch ist es möglich, einen Befestigungs- bzw. Bonding-Bereich zu verwenden, der zwei Anschlußfelder zum Bonden umfaßt, die elektrisch voneinander isoliert sind, zusammen mit einem Laser, der beide elektrische Anschlüsse auf der "Boden"-Fläche angeordnet hat.
  • Die Frontflächenüberwachungseinrichtung hat eine doppelte Funktion. Dies bedeutet, sie kann während der Justierung des Lasers 11 zu dem Wellenleiter 16 verwendet werden, und ebenfalls, um den Betrieb des Lasers (z.B. die Ausgangsleistung) zu überwachen. Während Erstgenanntem wird der Laser typischerweise so positioniert, daß das Signal aus der Überwachungseinrichtung maximal wird. Die erfindungsgemäße Herstellung umfaßt typischerweise ebenfalls das Einkapseln auf dem Si-Substrat und der Komponenten darauf. Dieses Einkapseln kann durch konventionelle Einrichtungen durchgeführt werden. Beispielhafte Einkapselungsverfahren werden z.B. in dem vorstehend zitierten US-Patent 4 937 653 (G. E. Blonder) beschrieben.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf der Heizstufe 200 wird ein Si-Substrat 14 angeordnet, wobei das Substrat beispielhaft von der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion ist. Das Halbleiterlaserchip 12 wird durch eine geeignete Einrichtung, z.B. durch eine transparente Vakuumzange 21, gehalten und auf dem Befestigungsbereich auf dem Si-Chip positioniert, während dieser noch von der Zange gehalten ist. Wie für Fachleute auf diesem Gebiet klar zu erkennen, wird die Zange durch eine geeignete Einrichtung 211 angetrieben, um eine exakte Bewegung (typischerweise in der X-, Y- und Z-Richtung und möglicherweise in einer Winkelbewegung) zu ermöglichen.
  • Einrichtungen zum Ermöglichen derartiger Bewegungen sind gut bekannt (z.B. piezoelektrische Transducer) und sind nicht detailliert dargestellt. Die anfängliche Plazierung der Einrichtung auf dem Si-Substrat kann unter manueller oder automatischer (z.B. Mikroprozessor-) Steuerung durchgeführt werden.
  • Nach dem anfänglichen Anordnen des Lasers wird der Laser geeigneter Pumpstrahlung, z.B. 1,06 um Strahlung, von dem YAG-Laser 22 ausgesetzt. Der Pumplichtstrahl wird durch den Strahlteiler 23 umgelenkt und durch eine geeignete EInrichtung (z.B. ein Mikroskop-objektiv 24) so fokussiert, daß der Pumplichtstrahl 25 durch das Fenster 13 in die Metallisierungsschicht des Lasers 11 gerichtet ist. Die in Fig. 2 beispielhaft dargestellte Realisierung umfaßt ferner einen Strahlteiler 240, eine IR-TV-Kamera 250 und ein 1,56 um-Filter 26, wobei Letztgenannter bereitgestellt ist, um Pumpstrahlung vom Eintreten in optionale Beobachtungsoptiken (nicht dargestellt) und letztlich vom Eintreten in das Auge eines (optionalen) menschlichen Bedieners abzuhalten. Das Ausgangssignal der TV-Kamera kann verwendet werden, um automatische, anfängliche Anordnung auf für Fachleute auf diesem Gebiet bekannte Weise zu erreichen
  • Die in den Halbleiterkörper des Lasers 11 eintretende Pumpstrahlung bewirkt die Emission von Laserstraiilung (z.B. 1,3 oder 1,5 um) durch Fotolumineszenz. Die emittierte Strahlung wird verwendet, um die endgültige Anordnung des Lasers zu erreichen.
  • Typischerweise versetzt die anfängliche Plazierung den aktiven Bereich des Lasers in die Nähe des festgelegten Wellenleiters 16, so daß wenigstens ein Teil der emittierten Strahlung in den Wellenleiter gekoppelt wird. Die gesamte oder ein Teil der eingekoppelten Strahlung wird dann durch eine geeignete Einrichtung, z.B. eine Frontflächenüberwachungseinrichtung oder einen externen Detektor, erfaßt. Das Detektorausgangssignal wird dann verwendet, um den Laser so auszurichten, daß sich der erwünschte Grad optischer Kopplung zwischen dem Laser und dem Wellenleiter ergibt. Typischerweise bedeutet dies, daß die Laserposition so lange justiert wird, bis die Detektorausgangsleistung maximal ist. Nachdem die erwünschte Kopplung erreicht wurde, wird der Laser an dem Befestigungsbereich durch bekannte Mittel, z.B. durch eine Löttropfen-technik, befestigt, wobei das Si-Substrat mittels der Heizstufe erhitzt wird.
  • Wie für Fachleute auf diesem Gebiet zu erkennen ist, wird das Löten oder anderes Bonden so erreicht, daß eine elektrische Verbindung zwischen dem Unterseitenanschluß des Laserchips und einer Kontaktanschlußf läche oder einer anderen geeigneten, leitfähigen Struktur auf dem Trägerchip aufgebaut wird. Weiter kann in nachfolgender Bearbeitung elektrischer Kontakt durch bekannte Mittel zwischen dem Oberseitenanschluß des Laserchips und einer Kontaktanschlußfläche oder Ähnlichem auf dem Substrat so erreicht werden, daß man Strom durch den Laser fließen lassen kann.
  • Fig. 4 stellt detaillierter den Befestigungsbereichs-Abschnitt eines beispielshaften Substrates dar. Es ist festzuhalten, daß diese Figur lediglich schematisch dargestellt ist und daß die verschiedenen Strukturen auf der Figur nicht maßstabsgerecht sind. (Dies gilt ebenfalls für die Fig. 1, 2 und 3.) Der Anschlußflächenbereichs-Abschnitt 15 des Siliziumsubstratchips 14 wird durch bekannte Einrichtungen bearbeitet (z.B. Fotolithographie und Naßätzen), so daß zwei rippenartige Strukturen 151 erzeugt werden. Auf dem zurückgesetzten Bereich zwischen den Rippen wird eine Metall- (z.B. Au) -Schicht 152 abgeschieden. Der lateral ingeschlossene, integrierte Wellenleiter 16 umfaßt einen Bereich 160 mit relativ hohem Brechungsindex, der in einer Matrix 161 mit relativ niedrigem Brechungsindex eingebettet ist. Die Letztgenannte besteht typischerweise aus SiO&sub2;, und der Erstgenannte beispielsweise aus einem Phosphorsilicatglas (P-Glas). Es wird nahegelegt, die "Höhe" von 160 über der oberen Oberfläche von 151 typischerweise so auszuwählen, daß sie dem Abstand zwischen der Bodenfläche des Laserchips und dem aktiven Bereich des Lasers entspricht. Obwohl in derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Laser so angeordnet wird, daß der aktive Bereich dem Substrat benachbart ist, ist dies nicht notwendig Falls der aktive Laserbereich nahe der oberen Oberfläche des Lasers liegt, kann es nötig sein, den Bonding-Bereich zurückzusetzen, so daß der aktive Bereich zum Wel1enleiter ausgerichtet ist.
  • Wie für Fachleute auf diesem Gebiet zu sehen, ist die erf indungsgemäße Technik weithin anwendbar. Diese ist nicht auf das Ausrichten eines Lasers zu einem lateral eingesch1ossenen Wellenleiter beschränkt, sondern kann zur Ausrichtung einer beliebigen Einrichtung verwendet werden, die veranlaßt werden kann, Strahlung aus einem definierten Bereich der Einrichtung mittels optischen Pumpens auszusenden. Unter derartigen Einrichtungen befinden sich licht-emittierende Dioden, optische Verstärker und Detektoren, die zur Fotolumineszenz veranlaßt werden können, vorausgesetzt, daß diese eine Struktur oder Strukturen umfassen, welche die Einführung von Pumpstrahlung in den Halbleiterabschnitt der Einrichtung gestatten, während die Einrichtung in gekoppeltem Verhältnis zum festgelegten Wellenleiter ist. Typischerweise umfaßt die Struktur ein Fenster (transmittierender Bereich) in einer Metallisierungsschicht. Vereinfacht dargestellt läßt sich das Verfahren prinzipiell zum Ausrichten einer beliebigen Einrichtung verwenden, die mit einem beliebigen festen Gegenstück zur Foto1umineszenz fähig ist, obwohl in derzeit bevorzugten Ausführungsformen das Verfahren verwendet wird, um eine lichtemittierende Einrichtung zu einem optischen Wellenleiter auszurichten (z.B. einem lateral eingeschlossenen, integrierten Wellenleiter oder einer optischen Paser in festgelegter Position)
  • Beispielhaft für die Anwendung dieser Technik zum Ausrichten von Einrichtungen, die nicht aus einem Laser bestehen, ist die Ausrichtung eines optischen In-Line- Verstärkers, wie er schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Der Verstärker 30 umfaßt ein Substrat 31 und einen elektrisch an 31 angeschlossenen und mechanisch an 31 gesicherten, optischen Halbleiterverstärker 32. Das Substrat umfaßt koaxiale V-Furchen 34. Die V-Furchen dienen dazu, optische Fasern 35 und 36 auszurichten. Die Fasern sind in den jeweiligen V-Furchen angeordnet und an dem Substrat durch eine geeignete Einrichtung gehalten, z.B. durch Epoxidharz oder einen anderen Kleber. Nach anfänglicher Plazierung des Verstärkers 32 zwischen den Enden 35 und 36 wird der Verstärker durch das Fenster 3? optisch gepumpt. Wenigstens ein Teil der aus dem aktiven Bereich 38 emittierten Strahlung von 32 wird in die optischen Fasern gekoppelt und durch eine geeignete Einrichtung (nicht dargestellt) erfaßt. Die Position von 32 wird dann justiert, bis die Detektorsignale anzeigen, daß der gewünschte Grad an optischer Kopplung zwischen dem Verstärker und beiden optischen Fasern erreicht ist7 und dann wird der Verstärker an dem Substrat gesichert und mit diesem elektrisch verbunden. Elektrische Verbindungen werden zu dem Substrat hergestellt, und die Baugruppe wird eingekapselt. Beispielhaft kann eine derartige Baugruppe in einem optischen Faserkommunikationssystem verwendet werden.
    • Beispiel:
  • Ein Laser wird zu einem optischen Dünnf ilmwellenleiter (des vorherstehend zitierten Typs) auf einem Si-Substrat ausgerichtet und an dem Substrat im wesentlichen wie in Fig. 2 dargestellt befestigt. Der Befestigungsbereich des Si-Substrates ist im wesentlichen wie in Fig. 4 dargestellt aufgebaut, und das Substrat trägt einen Kragenabschnitt eines Einzelmodenwellenleiters, wobei der Kern des Wellenleiters einen Durchmesser von ungefähr 6 m hat, wobei die Mitte des Kerns ungefähr 4 um oberhalb der oberen Oberfläche der Rippen 151 (aus Fig. 4) liegt. Die Rippen haben eine Höhe von ungefähr 5 um, wobei die dazwischenliegende metalliserte Ausnehmung ungefähr 200 um breit ist. Der Laser ist ein Hetero-Übergangs-InGaAsP-Laser mit einer freiliegenden Goldmetallisierungsschicht auf der Substratoberseite, mit einer 75 um breiten Öffnung in der Metallisierungsschicht zum Bilden eines Fensters. Die Boden-Epitaxial-Seite ist für Löttropfen-Bonden (Solder Bond Bonding) in konventioneller Weise vorbereitet, wobei das Lötmaterial eutektisches Blei-Zinn ist. Der Laserchip wird mit einer Vakuumzange ergriffen und auf den Befestigungsbereich gesetzt. Infrarotstrahlung aus einem konventionellen gütegeschalteten Nd : YAG-Laser (1,06 um) wird mittels eines 600 um-Kern-Siliciumoxid-Mehrmodenfaser an die Justiervorrichtung geführt und durch eine Standardeinrichtung auf 150 um Punktgröße fokussiert, wobei die Strahlung in das Fenster des Laserchips gerichtet ist. Die YAG-Laser- Wiederholfrequenz beträgt ungefähr 100 kHz, und die mittlere Leistung beträgt 1 W. Die Pumpstrahlung bewirkt das Lasern des Chips, wobei ein Teil des Halbleiterlaserausgangssignals in den lateral eingeschlossenen, integrierten Wellenleiter gekoppelt wird. Eine optische Standard-Einzelmodenfaser mit gespaltenem Ende (Cleaved End) wird mittels einer konventionellen XYZ- Positioniereinrichtung positioniert, um Strahlung aus dem lateral eingeschlossenen integrierten Wellenleiter zu empfangen und um diese in einen 1,06 um-Filter, dem ein Leistungsmeßgerät folgt, einzukoppeln. Die Position des Laserchips relativ zum Kern des lateral eingeschlossenen, integrierten Wellenleiters wird mittels einer Positioniereinrichtungsstufe (Newport Research Corporation) mit einem piezoelektrischen Transducer mit einer geschlossenen Rückkopplungsschleife geändert, bis das Leistungsmeßgerät maximale Kopplung anzeigt. Der Laserchip wird in dieser Position durch die Vakuumzange gehalten, während die Temperatur des Substrates mittels einer konventionellen Heizstufe auf ungefähr 200ºC angehoben wird, was zum Fließen des Lötzinns führt. Nach dem Abkühlen des Substrats auf Raumtemperatur zeigt das Leistungsmeßgerät immer noch maximale Kopplung an. Übliche Prüfungen zeigen, daß der Laserchip mechanisch an dem Si- Substrat gehalten, d.h. gesichert ist, und in elektrischen Kontakt mit diesem steht.

Claims (7)

1. Verfahren zum Zusammenfügen eines Artikels, der ein Substrat (14) mit einer optoelektronischen Einrichtung (11) und einen optischen Wellenleiter (16) auf dem Substrat enthält, wobei das Verfahren umfaßt:
a) Bereitstellen einer optoelektronischen Einrichtung, die zur Fotolumineszenz fähig ist,
b) anfängliches Koppeln der Einrichtung an den Wellenleiter durch deren grobes Ausrichten,
c) Einwirkenlassen von Pumpstrahlung (25) auf die derart grob gekoppelte Einrichtung, so daß die Einrichtung veranlaßt wird, elektromagnetische Strahlung durch Fotolumineszenz zu emittieren, und Koppeln wenigstens eines Teils der emittierten Strahlung in den Wellenleiter,
d) Erfassen wenigstens eines Teils der derart in den Wellenleiter gekoppelten Strahlung und, falls angezeigt, Justieren der relativen Position der Einrichtung und des Wellenleiters derart, daß sich ein erwünschter Grad an optischer Kopplung zwischen der Einrichtung und dem Wellenleiter ergibt, und
e) danach Sichern der Einrichtung an dem Substrat, so daß die Einrichtung und der Wellenleiter in einer zum Koppeln von Strahlung aus der Einrichtung in den Wellenleiter und/oder aus dem Wellenleiter in die Einrichtung geeigneten, relativen Position sind, wobei der Gegenstand eine Einrichtung (z.B. 15) zum Herstellen elektrischen Kontaktes zur Einrichtung umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Substrat einen Si-Körper umfaßt und der optische Wellenleiter ein seitlich berandeter Wellenleiter ist, der auf oder in den Si-Körper integriert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Substrat einen Si-Körper umfaßt und der optische Wellenleiter eine an dem Si-Körper befestigte optische Faser ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die optoelektronische Einrichtung ein Halbleiterlaser, eine lichtemittierende Halbleiterdiode, ein optischer Halbleiterverstärker oder ein Halbleiterstrahlungsdetektor ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Bereitstellung einer Einrichtung auf dem Substrat zum Erfassen der durch die Einrichtung emittierten und in den Wellenleiter gekoppelten Strahlung.
6. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem die optoelektronische Einrichtung ein Halbleiterlaser ist und in welchem der Gegenstand ferner ein an dem Si-Körper in gekoppeltem Verhältnis zu dem integrierten Wellenleiter befestigte optische Faser umfaßt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem die optoelektronische Einrichtung eine Metallisierungsschicht (12) mit einem Fenster (13) darin enthält, so daß die Pumpstrahlung in die Einrichtung übertragen werden kann.
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