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Diese Erfindung bezieht sich auf die Schaffung einer optischen
Kopplung mit einem elektrooptischen Wandler, der auf einem
monokristallinen Substrat befestigt ist, wobei zumindest ein
Teil dieser Kopplung durch ein optisches Bauteil geschaffen
wird, das sich in einer kristallographisch geätzten Nut oder
Vertiefung befindet&sub1; die in dem monokristallinen Substrat
ausgebildet ist. Für die Zwecke dieser Beschreibung soll der
Ausdruck "kristallographisches Ätzen" die Art von Ätzen bedeuten,
bei der eine Vertiefung oder Nut in einem monokristallinen
Substrat geätzt wird, wobei die Tiefe dieser Vertiefung oder
Nut durch deren Breite und durch die Tatsache bestimmt ist,
das das Ätzmittel unter Bedingungen verwendet wird, bei denen
es vorzugsweise bis zu bestimmten Kristallebenen ätzt.
Typischerweise kann das optische Bauteil eine in einer geätzten
Vertiefung befestigte Kugellinse, oder eine Gradientenindexlinse
oder das Ende einer Lichtleitfaser sein, die in einer geätzten
Nut befestigt ist. Ein weiteres Beispiel eines optischen
Bauteils, das auf diese Weise hinsichtlich seiner Lage
festgelegt werden kann, ist ein optischer Isolator. Einer der Vorteile
dieser Form der Lagefestlegung eines optischen Bauteils ist die
Abmessungsstabilität, die bezüglich des elektrooptischen
Wandlers erzielt werden kann, und ein weiterer Vorteil ist die
Präzision der Positionierung, die hierdurch erzielt werden
kann. Eine präzise Positionierung des elektroptischen Wandlers
gegenüber dem Substrat kann durch die Verwendung von
Druckschaltungstechniken erzielt werden. Für die Zwecke dieser
Beschreibung bedeutet der Ausdruck "gedruckte Schaltung" eine
Struktur, die auf elektrisch isolierendem Material ein oder
mehrere elektrische Leiter trägt, die mit Hilfe eines
Grafikverfahrens hergestellt wurden, wobei der Ausdruck "Mehrschicht-
Druckschaltung" eine Struktur bezeichnet, die mit Hilfe
graphischer Techniken erzeugte elektrische Leiter trägt, die
in einer Vielzahl von getrennten Schichten angeordnet sind,
die zumindest teilweise durch elektrisch isolierendes Material
voneinander getrennt sind.
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Ein Fall der Befestigung einer Lichtleitfaser in einer
kristallographisch geätzten V-Nut in optischer Kopplungsbeziehung mit
einem elektrooptischen Wandler ist in der GB-2 255 672 A
beschrieben, auf die verwiesen wird. In der GB-2 255 672 A ist
ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung
beschrieben, bei dem ein photolithographisches Verfahren zur
Festlegung und nachfolgenden anisotropen Ätzung einer V-Nut
in einem monokristallinen Substrat verwendet wird. Nach dem
Ätzen der V-förmigen Nut wird eine weitere Bearbeitung
verwendet, um eine mit einem Muster versehene elektrisch leitende
Erdebene zu bilden, die mit einer Isolierschicht aus SiO&sub2;
bedeckt ist, wobei dann eine weitere Verarbeitung verwendet
wird, um Durchgänge in der Isolierschicht herzustellen und um
diese mit einer elektrisch leitenden Schicht zu bedecken, die
mit einem Muster versehen wird, um eine Anzahl von
Zwischenverbindungen herzustellen. Auf einer dieser
Zwischenverbinddungen ist ein elektrooptischer Wandler in Form einer
Laserdiode befestigt.
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Die bevorzugte photolithographische Verarbeitung schließt die
Schaffung eines mit Lot benetzbaren Kontaktfleckes ein, auf dem
der Wandler zu befestigen ist, wobei die Form dieses
Kontaktflecks derart ist, daß er an die des Wandlers angepaßt ist, so
daß der Wandler unter Ausrichtung durch eine Lotbuckel- oder
Lot-Bump-Verlötung verbunden werden kann. Bei der Lotbuckel-
Verlötung wird ein Bauteil an einem anderen, typischerweise
ein Bauteil an einem Substrat derart verlötet, daß sich eine
automatische Ausrichtung der beiden Bauteile über die Wirkungen
der Oberflächenspannung ergibt. Zu diesem Zweck sind die
aufeinandergerichteten Oberflächen der beiden zu verlötenden
Bauteile mit lotbenetzbaren Kontaktflecken mit aneinander
angepaßter Konfiguration versehen, und zwischen diesen aufeinander
gerichteten Kontaktflecken befindet sich ein vorgegebenes
Lotvolumen. Wenn das Lot geschmolzen wird, kann sich eines der
Bauteile frei gegenüber dem anderen unter den Kräften der
Oberflächenspannung bewegen, die von dem geschmolzenen Lot
erzeugt werden. Die Bewegungsfreiheit wird beibehalten, während
eine Erstarrung des Lotes hervorgerufen wird.
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Bei der praktischen Ausführung dieser Lösung sind
Zuverlässigkeits- und Ausbeuteprobleme aufgetreten, und es wurde
festgestellt, daß diese Probleme beträchtlich vereinfacht werden, wenn
die Reihenfolge einiger Verarbeitungsschritte geändert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer mehrlagigen gedruckten Schaltung auf einem
monokristallinem Substrat für das Einsetzen von zumindest einem
elektrooptischen Wandler und zumindest einem optischen Bauteil
auf diesem geschaffen, wobei die mehrlagige gedruckte Schaltung
eine Vielzahl von elektrischen Leitern umfaßt, die in einer
Vielzahl von diskreten Lagen angeordnet sind, die zumindest
teilweise durch elektrisch isolierendes Material voneinander
getrennt sind, wobei das Verfahren die Verwendung der
photolithographischen Verarbeitung zur Erzeugung der Konfiguration
aller elektrischer Leiter der gedruckten Schaltung und den
Schritt des kristallographischen Ätzens von zumindest einer
Vertiefung oder Nut in dem monokristallinen Substrat zur
Festlegung der Lage eines optischen Bauteils in dieser einschließt,
wobei die Tiefe der Vertiefung oder Nut photolithographisch
festgelegt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die
photolithographische Bearbeitung zur Erzeugung der Konfiguration aller
elektrischer Leiter der gedruckten Schaltung vor dem Schritt
des kristallographischen Ätzens von zumindest einer
Vertiefung oder Nut in dem monokristallinen Substrat ausgeführt wird.
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Die Erfindung besteht weiterhin in Hybridschaltungen, die
mehrlagige gedruckte Schaltungen enthalten, die durch das in dem
vorstehenden Absatz definierte Verfahren hergestellt werden.
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Es wird angenommen, daß ein wesentlicher Faktor, der der
Zuverlässigkeit und der Ausbeute bei dem bekannten Verfahren nach
der GB-2 255 672 A, auf die vorstehend Bezug genommen wurde,
entgegensteht, sich aus der Tatsache ergibt, daß die
Photolithographische
Bearbeitung, die erforderlich ist, um die
elektrischen Leiter der mehrlagigen gedruckten Schaltung und
die erforderliche elektrische Zwischenschicht-Isolation zu
schaffen, auf einem Substrat ausgeführt wird, das nicht im
wesentlichen flach ist, sondern ein oder mehrere relativ tief
geätzte Merkmale in seiner Oberfläche aufweist. Es wird
angenommen, daß diese Merkmale eine photolithographische
Bearbeitung mit hoher Qualität dadurch stören, daß sie den
gleichförmigen Fluß von Photolack oder Photoabdeckmaterialien stören und
Zonen mit unterschiedlicher Dicke im Verlauf des Fließens des
Photolackes in der Nachbarschaft derartiger Merkmale
hervorrufen. Ein derartiges Fehlen einer Gleichförmigkeit begrenzt
die Positionierung und Auflösung einer Musterbildung, die mit
diesen Photolackschichten erzielbar ist.
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In der GB-2 215 087 A, auf die ebenfalls verwiesen wird, ist
ein Verfahren beschrieben, bei dem auf einem Siliziumsubstrat
eine passive Ausrichtung zwischen einem an dem Substrat
befestigten und eine Laserdiode enthaltenden Block und einem
Satz von Lichtleitfasern erzielt wird, die in V-förmigen Nuten
liegen, die in dem Substrat ausgebildet sind. Die V-förmigen
Nuten werden erst dann in das Siliziumsubstrat eingeätzt,
nachdem eine photolithographische Bearbeitung verwendet wurde,
um die Konfiguration einer einzelnen Lage von elektrischen
Leiterbahnen auf den Silizium festzulegen, obwohl das Metall,
aus dem die tatsädichen Leiterbahnen bestehen, erst nach dem
Ätzen der V-förmigen Nuten abgeschieden wird. Ein Merkmal
dieser Unterscheidung besteht darin, daß das Verfahren nicht
auf die Schaffung von mehrschichtigen Leiterbahnen anpaßbar
ist, ohne daß auf eine weitere photolithographische Bearbeitung
nach dem Ätzen der V-förmigen Nuten zurückgegriffen werden muß.
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Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß es sich
als solches nicht für die Befestigung von auf das
Siliziumsubstrat gerichteten Diodenlaserchips in einer derartigen Weise
eignet, daß sich eine passive Ausrichtung des Chips durch die
Einwirkung von Oberflächenspannungseffekten in dem geschmolzenen
Lot ergibt, das zum Verbinden des Chips mit dem Substrat
verwendet
wird. Dies ergibt sich daraus, daß ein elektrischer
Kontakt normalerweise mit zumindestens einem Teil der (nach
unten gerichteten) Verbindungsoberfläche des ohips hergestellt
werden muß. Dies bedeutet andererseits, daß sich die mit Lot
benetzbare Fläche auf dem Substrat über den Umfang des
Laserdiodenchips hinaus erstrecken muß, damit sich ein externer
Kontaktbereich ergibt, an dem eine elektrische Verbindung mit der
Verbindungsfläche des Laserchips ermöglicht wird. Wenn sich auf
diese Weise der mit Lot benetzbare Bereich in einen Bereich über
den Umfang hinaus erstreckt, so wird zumindest ein Teil dieser
externen Fläche mit dem geschmolzenen Lot benetzt, wodurch
Oberflächenspannungskräfte in dem geschmolzenen Lot ergeben,
die dazu neigen, den Chip aus der ausgerichteten Position
herauszuziehen. Weiterhin ist das Ausmaß der zusätzlichen
Benetzung in gewisser Hinsicht unbestimmt, so daß die
zusammengesetzte Änderung in dem Lot, die durch diese Benetzung
hervorgerufen wird, auch in gewisser Weise unbestimmt ist.
Dies kann insbesondere im Fall von Gold-Zinn-Loten in
nachteiliger Weise die Fließeigenschaften (und damit die passiven
Ausrichteigenschaften) des geschmolzenen Lotes beeinflussen.
Wenn ein Siliziumsubstrat mit einer mehrschichtigen gedruckten
Schaltung verwendet wird, so sind diese Probleme in einfacher
Weise dadurch vermeidbar, daß eine Konfiguration des mit Lot
benetzbaren Anschlußflecks verwendet wird, die an die
entsprechende Konfiguration des Laserchips angepaßt ist, wobei eine
elektrische Verbindung mit dem Laserchip hergestellt wird,
wobei weiterhin eine elektrische Verbindung mit dieser
Anschlußfleck-Konfiguration über eine oder mehrere vergrabene
elektrische Leiter innerhalb der mehrschichtigen Struktur der
gedruckten Schaltung hergestellt wird.
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Es folgt eine Beschreibung der Herstellung einer einen
Diodenlaser einschließenden Slizium-Hybridschaltung, wobei das
Herstellungsverfahren die bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt. Die Beschreibung bezieht sich auf
die beigefügte Zeichnung, die eine längsgeschnittene
schematische perspektivische Ansicht eines Teil der Hybridschaltung
zeigt.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnug ist eine monokristalline
Siliziumscheibe 10 zu erkennen, die sich in einer {100}-Ebene
erstreckt und mit Passivierungsschichten 11 und 12,
beispielsweise aus Siliziumnitrid, auf ihren beiden Hauptoberflächen
versehen ist. Wenn dies erwünscht ist, kann die
Siliziumnitridschicht 11 auf der oberen Oberfläche der Scheibe als solche mit
einer (nicht gezeigten) Silika-Schicht bedeckt sein, die für
Höhenabgleichzwecke vorgesehen ist. Wahlweise kann die
freihegende Oberfläche der Passivierungsschicht 12 mit einer (nicht
gezeigten) Metallisierung bedeckt sein.
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Die nächste Schicht der Struktur ist eine mit einem Muster
versehene Zwischenverbindungsschicht 13, die auf der Passivierungs-
Schicht 11 angeordnet ist. Die Ausbildung des Musters wird durch
Photolithographie erreicht. Zweckmäßigerweise wird ein
Abhebeverfahren verwendet, das die Abscheidung einer (nicht gezeigten)
Polymer-Doppelschicht auf der Passivierungsschicht 11 und die
Ausbildung eines Musters und die Entwicklung dieser
Doppelschicht vor der Abscheidung des Materials der
Zwischenverbindungsschicht 13 beeinhaltet. Die Zwischenverbindungsschicht
umfaßt typischerweise eine Schicht aus Gold, die zwischen zwei
Schichten aus Titan eingeschichtet ist, die zur Förderung des
Anhaftens zwischen der Zwischenverbindungsschicht und dem
dielektrischen Material vorgesehen sind, das unmittelbar
oberhalb und unterhalb dieser Schichten liegt.
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Nach der Entfernung der metallbeschichteten, mit einem Muster
versehenen Abhebeschicht wird die mit einem Muster versehene
Zwischenverbindungsschicht 13 mit einer Isolierschicht 14
bedeckt, die eine dünne Siliziumnitrid-Passivierungsschicht
umfassen kann, die von einer dickeren Schicht aus Silika
bedeckt ist. Ein derartiges Material kann zweckmäßigerweise
durch eine plasmagestützte Abscheidung aus der Gasphase
abgeschieden werden. Eine übliche Photolithographie wird dann dazu
verwendet, Durchgangsöffnungen 15 durch diese Schicht 14
hindurch zu ätzen, um es zu ermöglichen, daß ein Kontakt in
ausgewählten Bereichen mit unterschiedlichen Teilen der
darunterliegenden
Zwischenverbindungsschicht 13 hergestellt wird. Es
kann eine reaktive lonenätzung zum Hindurchätzen durch das
Isoliermaterial gefolgt von einer Naßätzung zum Ätzen durch die
obere Titanschicht der Zwischenverbindungsschicht hindurch
verwendet werden, die einer Oxydation ausgesetzt ist, um das
darunterliegende Gold freizulegen.
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Irgendwelcher verbleibender Photolack, der nach dem Ätzen der
Durchgangsöffnungen 15 verbleibt, wird vor der Abscheidung
einer mit einem Muster versehenen lotbenetzbaren metallischen
Anschlußflecken-Schicht 16 entfernt. Die Ausbildung des Musters
der Anschlußflecken 16 kann in zweckmäßiger Weise durch ein
photolithographisches Abhebeverfahren ähnlich dem erzielt
werden, das bei der Ausbildung des Musters der
Zwischenverbindungsschicht 13 verwendet wird. Die Anschlußflecken können in
ähnlicher Weise aus einem Schichtkörper aus drei Schichten
bestehen, der in diesem Fall eine erste dünne Schicht aus Titan, die
für Adhäsionszwecke vorgesehen ist, eine zweite Schicht aus
Platin und schließlich eine dritte Schicht aus Gold umfassen
kann.
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Verschiedene Bauteile (alle&sub1; mit Ausnahme eines nicht gezeigten
Laserdiodenschips 17), und zwar sowohl aktive als auch passive
Bauteile, werden später auf der Scheibe befestigt, und eine
elektrische Verbindung zwischen ihren Anschlüssen und den
jeweiligen Anschlußf lecken 16 auf der Scheibe wird
beispielsweise durch Ausbildung von Lotbuckeln, durch
Drahtbondverbindungen oder durch Bonden mit einem leitenden Epoxy-Material
hergestellt. Ein spezieller Anschlußfleck, nämlich dem
Anschlußfleck 16a, ist für die Befestigung des Laserdiodenchips 17
durch Lotbuckel reserviert. Zwei weitere Anschlußflecken 16b
werden für keine elektrischen Verbindungszwecke sondern zu
Maskierungszwecken verwendet. Diese beiden Anschlußflecken 16b
bilden ein paralleles Paar von Streifen, die präzise
positioniert sind, um einen Streifen zwischen ihren einander
nahegelegenen Kanten zu definieren, der mit dem Anschlußfleck 16a
ausgerichtet ist.
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Die nächste Stufe der Bearbeitung besteht in einer
vorbereitenden Bearbeitung für das kristallographische Ätzen einer
V-förmigen Nut zwischen den Anschlußflecken 16b, wobei eine
Lichtleitfaser 18 in dieser V-förmigen Nut so angeordnet wird,
daß sie mit dem Laser 17 ausgerichtet ist, der später auf dem
Anschlußfleck 16a befestigt wird. Zu diesem Zweck wird eine
frische (nicht gezeigte) Schicht aus photolithographischem
Abdeckmaterial auf die gesamte obere Oberfläche der Scheibe
aufgebracht und dann entwickelt, um einen Teil hiervon in
Form eines (nicht gezeigten) Streifens zu entfernen, der gerade
kurz vor den Enden der Streifen 16b endet, die dem
Anschlußfleck 16a benachbart sind, wobei dieser Streifen etwas breiter
ist, als der Abstand, der die Innenkanten der beiden Streifen
16b trennt, so daß diese Innenkanten hierdurch freigelegt
werden. Eine reaktive lonenätzung (RIE) wird dann dazu verwendet,
zunächst den freiliegenden Teil der dielektrischen Schicht 16
und dann den entsprechenden Teil der Passivierungsschicht 11
zu ätzen, der hierdurch freigelegt wird, so daß das
darunterliegende Silizium 10 freigelegt wird. Dieses reaktive
Ionenätzen erzeugt eine vertikale Wand 20, deren Lage durch die
Begrenzung des mit einem Muster versehenen Photolackes und
zwei vertikale Wände 21 (von denen lediglich eine gezeigt ist)
definiert ist, deren Lagen jeweils durch die Innenkanten der
beiden Streifen 16b definiert sind.
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Der nächste Schritt bei der bevorzugten Verarbeitungsfolge
besteht daher darin, unmittelbar nachfolgend zur RIE eine
weitere Photolithographie auszuführen, zweckmäßigerweise eine
Doppelschicht-Abhebe-Photolithographie, um das benötigte Lot
an den erforderlichen Stellen zu erzeugen. Für diese
photolithographische Bearbeitung werden die beiden (nicht gezeigten)
Polymerschichten der Doppelschicht abgeschieden, mit einem
Muster versehen und entwickelt, worauf eine Lotschicht
abgeschieden wird. Der größte Teil dieser Lotschicht wird
nachfolgend entfernt, wenn die Doppelschicht abgehoben wird, doch
verbleibt in den Fenstern, die in dieser Doppelschicht durch
die Ausbildung des Musters geöffnet wurden, wie zum Beispiel
einem Fenster, das mit dem Anschlußfleck 16a ausgerichtet ist,
das Lot nach dem Abheben in Form eines Lot-Anschlußf lecks 22.
Das Lot wird für die Lotbuckelausrichtung des Laserchips 17
verwendet, der hierauf befestigt werden soll, und ein
bevorzugtes Lot für diesen Zweck ist ein flußmittelfreies Gold-Zinn-
Lot. Dies wird durch Verdampfung in Form eines mehrschichtigen
Stapels von abwechselnden Gold- und Zinnschichten abgeschieden,
wobei mit Schichten von Gold angefangen und aufgehört wird.
Vorzugsweise werden die Zinnschichten des Stapels einzeln einem
Ionenbombardement unterworfen, um einen dichtere Abscheidung
und als Folge hiervon eine Lotschicht mit weniger Hohlräumen
zu erzeugen, so da sich bessere Fließeigenschaften ergeben.
Bei einem typischen Beispiels hat das aus einem 13 Schichten
umfassenden Stapel bestehende Lot eine Gesamtdicke von ungefähr
5 um. Eine derartige Schicht ist verglichen mit den
vorhergehenden Schichten, die durch die Doppelschicht-Photholithographie
abgeschieden wurden, nämlich der Zwischenverbindungsschicht 13
und der Anschlußflecken-Schicht 16, dick, und entsprechend kann
die erste Schicht der Doppelschicht eine zusammengesetzte
Schicht sein, die durch zwei oder mehr Aufspinnvorgänge von
flüssigem Polymer anstatt in einem einzigen Aufspinnvorgang
hergestellt ist.
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Nachdem die Doppelschicht abgehoben wurde, wird eine Naßätzung
verwendet, die vorzugsweise das freiliegende Silizium auf {111}-
Ebenen 23 ätzt, von denen zwei zusammenwirken, um die V-förmige
Nut zu bilden, die die Position der Lichtleitfaser 18
festlegt. Dieser Ätzvorgang kann beispielsweise Äthylen-Diamin-
Pyrocatecol (EDP) und Piperizin umfassen.
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Typischerweise wird die Scheibe 10 in einzelne Hybridchips
unterteilt, bevor irgendwelche einzelnen aktiven oder passiven
Bauteile auf diesen chips befestigt werden. Ein Schutz der
Hybridoberfläche während des Zerteilvorganges kann durch das
Aufbringen einer (nicht gezeigten) Polymerschicht auf die
Scheibe erzielt werden, die nach dem Unterteilen entfernt wird.
Diese Polymerschicht kann zweckmäßigerweise eine Schicht aus
Photolack sein, die auf die Scheibe durch Aufsprühen
aufgebracht wird. Nach der Entfernung des Polymermaterials von einem
einzelnen Hybridchip ist dieser dazu bereit, daß sein Laser 17,
die Lichtleitfaser 18 und irgendwelche anderen und passiven
Bauteile (nicht gezeigt) an ihrem Platz befestigt werden.
Der Laser 17 wird an seinem Platz unter Verwendung der
Lotbuckel-Technologie befestigt, während die Faser 18 in ihrer
Nut mit einem Klebemittel&sub1; beispielsweise einem Epoxy-Material
befestigt wird.
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Die Tatsache, daß die photolithographische Maskierung, die zur
Erzeugung des Lot-Anschlußflecks 22 mit dem Laser-Anschlußfleck
16a verwendet wird, nicht durch eine Selbstausrichttechnik
bestimmt ist, ist nicht kritisch, weil irgendeine derartige
Fehlausrichtung automatisch ausgeglichen wird, wenn der Laser
selbst durch die Lotbuckeltechnik an seinem Platz befestigt
wird. Andererseits bedeutet die Steuerung der Dicke der
verschiedenen Schichten des Hybridbausteins zusammen mit der
Tatsache, daß die Anschlußf lecken 16a und 16b durch einen einzigen
photolitographischen Maskierungsvorgang definiert werden und daß
eine Art von Selbstausrichtprinzip bei der Erzielung einer guten
Präzision der lateralen (x,y) relativen Positionierung zwischen
der Lichtleitfaser und dem Laser vorhanden ist. Die gleiche
Präzision wird nicht bezüglich der relativen Positionierung der
Lichtleitfaser in der axialen (z) Richtung erzielt, doch ist
dies allgemein vollständig annehmbar, weil eine Präzision
hinsichtlich der Positionierung in der Axialrichtung wesentlich
weniger kritisch ist, soweit es den Kopplungswirkungsgrad
betrifft.
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Wenn die Hybridschaltung mit einer kriatallographisch geätzten
Vertiefung aufgebaut werden sollte, in der ein optisches Element
festgelegt werden sollte, wie z.B. eine Kugellinse, so würde
anstelle der V-förmigen Nut zur Aufnahme der Lichtleitfaser 18
und der beiden Streifen 16 ein einziger Bereich von
lotbenetzbarem Metall verwendet, der mit einem quadratischen Fenster mit
definierter Größe versehen ist. Unter diesen Umständen würde die
Positionierung in allen drei axialen Richtungen (x,y und z) mit
einem hohen Ausmaß an Präzision erzielt.