DE69727343T2

DE69727343T2 - Optoelektronisches Modul

Info

Publication number: DE69727343T2
Application number: DE69727343T
Authority: DE
Inventors: Gary R. Trott
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: JP3909500B2; EP0826993B1; JPH1082932A; US5771323A; EP0826993A1; DE69727343D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Faseroptik- oder Photonenmodule. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein verbessertes Mikrophotonenmodul, das mit einem hohen Präzisionsgrad, ohne Lichtstrahlbehinderung und bei minimierten Kosten hergestellt ist.
Optische Kommunikationssysteme werden weit verbreitet verwendet zum Befördern sehr großer Mengen an Informationen mit geringer Verzerrung und mit geringen Kosten über große Distanzen. Aus diesem Grund wurden wesentliche Entwicklungen von Komponenten von optischen Kommunikationssystemen durchgeführt, wie z. B. Photonengehäusen oder Modulen. Photonen beziehen sich allgemein auf Vorrichtungen, die sowohl elektronische als auch optische Eigenschaften aufweisen. Diese Vorrichtungen können Laservorrichtungen, die ansprechend auf ein elektronisches Signal kohärentes Licht erzeugen, und Photodetektoren sein, die ansprechend auf Licht ein elektronisches Signal erzeugen.
Typischerweise verwenden Photonenmodule kantenemittierende Halbleiterlaser und oberflächenerfassende Photodetektoren (siehe 1A und 1B). Weil ein kantenemittierender Laser 11 einen relativ großen Drehwinkel aufweist, wie es aus 1A ersichtlich ist, weist ein Sendermodul 10 typischerweise eine Linse 12 auf, die zwischen den Laser 11 und eine optische Faser 13 eingefügt ist, um eine hohe Effizienz bei einer optischen Kopplung zu erhalten. Wie es aus 1B ersichtlich ist, ist eine Linse 17 ebenfalls zwischen die optische Faser 13 und einen Photodetektor 15 in einem Empfängermodul 14 eingefügt, um eine hohe Kopplungseffizienz zu erhalten. Dies ermöglicht es, daß die Kopplungseffizienz und der Abstand zwischen unterschiedlichen Elementen gemäß den Entwurfszielen variieren.
Beim Herstellen des Sendermoduls 10 müssen der Laser 11, die Linse 12 und die optische Faser 13 in einer genauen und vorbestimmten Ausrichtung zueinander sein. Gleichartig dazu müssen die optische Faser 13, die Linse 17 und der Photodetektor 15 ebenfalls in einer genauen vorbestimmten Ausrichtung zueinander sein, wenn das Empfängermodul 14 hergestellt wird. Um dies zu erreichen, werden typischerweise dreidimensionale Halterungen und/oder Befestigungen benötigt, um die Komponenten in Position und zueinander ausgerichtet zu halten, wie es in 2A und 2B gezeigt ist.
2A ist eine Seitenquerschnittansicht des Gehäuses des Sendermoduls 10 von 1A. 2B ist eine Seitenquerschnittansicht des Gehäuses des Empfängermoduls 14. Wie aus 2A ersichtlich ist, wird eine Halterung 18a verwendet, um die Linse 12 in Position und in einer vorbestimmter Ausrichtung zu dem Laser 11 zu halten, der ebenfalls an der Halterung 18a befestigt ist. Diese Halterung 18a wird dann mit einer anderen Halterung 18b gekoppelt, die die optische Faser 13 in Position hält und somit das Modul 10 bildet. Die Ausrichtung des Lasers 11, der Linse 12 und der optischen Faser 13 wird durch die Halterungen 18a und 18b erreicht. In 2B wird die Halterung 19a verwendet, um die Linse 17 zu halten und mit dem Photodetektor 15 auszurichten, und eine Halterung 19b wird verwendet, um die optische Faser 13 zu halten. Die Halterung 19b wird dann mit der Halterung 19a gekoppelt, so daß die optische Faser 13 mit der Linse 17 ausgerichtet ist.
Ein Nachteil solcher Photonenmodule oder -gehäuse ist, daß die Halterungen aufwendig herzustellen sind, weil dieselben eine relativ hohe Präzision erfordern. Ein weiterer Nachteil ist, daß es zeitaufwendig ist, Komponenten der Photonenmodule unter Verwendung der Halterungen in genauen Positionen zusammenzubauen, wodurch ein geringer Durchsatz bewirkt wird. Außerdem kann auch viel Zeit und Sorgfalt benötigt werden für die Ausrichtung und Einstellung während dem Zusammenbau der Photonenmodule. Dies verhindert eine Massenproduktion der Photonenmodule durch Betreiber mit mittleren Fähigkeiten, wenn die erforderlichen Ausrichtungskri terien beibehalten werden. Diese Faktoren begrenzen typischerweise die Kostenreduktion der Photonenmodule.
Der Artikel von Gengenbach u. a. „Gefühlvoll und Präzise", Technische Rundschau Transfer, Bd. 89, Nr. 27/28, 7. Juli 1995, S. 21–23 beschreibt einen Mikrooptikduplexer mit einem Gehäuse, in dem eine Befestigungsplatte vorgesehen ist, mit Kanälen und Ausnehmungen in der Oberfläche der Befestigungsplatte. In den Ausnehmungen sind Kugellinsen angeordnet, die Licht von einer Laserdiode aufnehmen, die an dem Gehäuse befestigt ist, dasselbe zu einem Filter und ferner an eine Photodiode übertragen, die an dem Gehäuse oder einem Fasernetzwerk befestigt ist.
Die EP 0 640 853 A1 beschreibt eine integrierte optische Hybridtypvorrichtung mit einem doppelschichtigen Substrat. Das zusammengesetzte Substrat umfaßt ein Tragesubstrat. Das zusammengesetzte Substrat umfaßt ein Tragesubstrat und eine laminierte obere Schicht, die auf dem Tragesubstrat gebildet ist. Erste optische Komponenten sind an der Oberfläche der oberen Schicht angeordnet, und Kugellinsen sind in Positionierlöchern in dem Tragesubstrat angeordnet.
Die DE 41 33 220 A1 beschreibt eine Anordnung zum Koppeln von Licht zwischen Wellenleiterfasern durch Linsen. Auf einem Tragesubstrat sind eine Mehrzahl von Fasern in Faserrillen angeordnet, und zugeordnete Linsen sind in Ausnehmungen angeordnet. Zwischen den Linsen und den Fasern sind lichtführende Rillen vorgesehen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte optische Vorrichtung zu liefern, die eine vereinfachte Kopplung von Licht zwischen einer Photonenvorrichtung, beispielsweise einem Laser oder einem Photodetektor, und einer Linse ermöglicht, ohne Lichtstrahlbehinderung zwischen denselben.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft darin, daß dieselbe ein Mikrophotonenmodul liefert, das mit einem hohen Präzisionsgrad hergestellt ist, das eine robuste mechanische Eigenschaft aufweist und das bei minimierten Kosten hergestellt werden kann.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Vorrichtung beschrieben. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Bildens eines Hohlraums mit geneigten Seitenwänden in einem Substrat. Eine Photonenvorrichtung ist an dem Substrat an einem vorbestimmten Abstand von dem Hohlraum befestigt, wobei die optische Achse der Photonenvorrichtung mit einer Diagonale des Hohlraums ausgerichtet ist. Eine sphärische Linse sitzt in Kontakt mit den Seitenwänden des Hohlraums, um eine vordefinierte Beziehung mit der Photonenvorrichtung ohne Lichtstrahlbehinderung zu haben.
Außerdem ist eine optische Vorrichtung beschrieben, die ein Substrat und einen Hohlraum umfaßt, der in dem Substrat gebildet ist. Der Hohlraum hat geneigte Seitenwände. Eine Photonenvorrichtung ist an dem Substrat bei einem vordefinierten Abstand zu dem Hohlraum befestigt, mit der optischen Achse desselben ausgerichtet mit einer Diagonalen des Hohlraums. Eine sphärische Linse ist in Kontakt mit den Seitenwänden des Hohlraums in einer vordefinierten Beziehung mit der Photonenvorrichtung ohne Lichtstrahlbehinderung eingeschlossen.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft darstellen.
1A und 1B sind schematische Darstellungen von herkömmlichen Photonenmodulen;
2A eine Querschnittsansicht, die das Gehäuse des Photonenmoduls von 1A zeigt;
2B ist eine Querschnittsansicht, die das Gehäuse des Photonenmoduls von 1B zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Befestigungsbauglieds mit einem pyramidenförmigen Hohlraum zum Befestigen einer sphärischen Linse bezüglich einer Photonenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Draufsicht des Befestigungsbauglieds mit der Photonenvorrichtung und der sphärischen Linse und dem optischen Lichtweg;
5 ist eine Seitenquerschnittsansicht des Befestigungsbauglieds entlang der optischen Achse der Photonenvorrichtung und der sphärischen Linse, die auf dem Befestigungsbauglied befestigt ist;
6 zeigt, daß der pyramidenförmige Hohlraum von 3 bis 5 eine abgeschnittene Unterseite aufweist;
7 ist eine Draufsicht, die eine weitere Konfiguration des pyramidenförmigen Hohlraums von 3 bis 6 zeigt;
8 ist eine Seitenquerschnittsansicht des Befestigungsbauglieds entlang einer Linie 81 von 7;
9 und 10 zeigen den Prozeß des Herstellens des pyramidenförmigen Hohlraums in dem Befestigungsbauglied gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11A und 11B zeigen die Lichtstrahlbehinderung einer weiteren herkömmlichen Anordnung zum Befestigen der Photonenvorrichtung; und
12 bis 14 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bereitstellens eines Strahlfreiraums an der Ausgangsseite der sphärischen Linse, wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen Hohlraum sitzt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Befestigungsbauglied 21 eines Photonenmoduls 20 zum Befestigen einer Photonenvorrichtung 23 und einer sphärischen Linse 25 (in 4 gezeigt) zeigt. 4 ist eine Draufsicht des Befestigungsbauglieds 21, mit der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 befestigt. 5 ist eine Seitenquerschnittsansicht des Befestigungsbauglieds 21, der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 entlang der optischen Achse 41 von 4.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Photonenvorrichtung 23 und die sphärische Linse 25 an dem Befestigungsbauglied 21 befestigt, mit ihrer optischen Achse nahe zu der oberen Oberfläche des Befestigungsbauglieds 21, ohne Lichtstrahlbehinderung zwischen den beiden Komponenten 23 und 25. Dies wird erreicht durch (1) Setzen der sphärischen Linse 25 in einen präzisionsgebildeten und im wesentlichen pyramidenförmigen Hohlraum 22 (3 bis 5) in dem Befestigungsbauglied 21 und (2) Befestigen der Photonenvorrichtung 23 an dem Befestigungsbauglied 21, derart, daß die optische Achse der Photonenvorrichtung 23 mit einer Diagonalen des pyramidenförmigen Hohlraums 22 ausgerichtet ist. Außerdem ist eine Kerbe in einer Ecke des pyramidenförmigen Hohlraums 22 gebildet, entfernt von der Photonenvorrichtung 23 entlang der Diagonale des pyramidenförmigen Hohlraums 22 zum Liefern eines Lichtstrahlfreiraums an der Ausgangsseite der sphärischen Linse 25.
Der präzisionsgebildete pyramidenförmige Hohlraum 22 in dem Befestigungsbauglied 21 liefert auch einen hohen Grad an Ausrichtungspräzision und optischer Kopplungseffizienz zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 bei relativ geringen Kosten. Dies liegt daran, daß der präzisionsgebildete pyramidenförmige Hohlraum 22 das Befestigen der sphärischen Linse 25 mit einer akkuraten Plazierung sowohl in der axialen als auch der lateralen Richtung bezüglich der Photonenvorrichtung 22 erlaubt, ohne eine aktive Ausrichtung zu erfordern. Wenn das Photonenmodul 22 dann optisch mit einer optischen Faser gekoppelt ist (nicht gezeigt), um ein Kommunikationssystem zu bilden, ist nur die optische Faser aktiv ausgerichtet. Eine aktive Ausrichtung bedeutet das Ausrichten der Komponenten mit einer Rückkopplung, die anzeigt, ob eine Einstellung für die Ausrichtung benötigt wird.
Weil die sphärische Linse 25 die geneigten Seitenwände des pyramidenförmigen Hohlraums 22 kontaktiert, wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 sitzt, weist das Photonenmodul 20 außerdem eine robuste mechanische Eigenschaft auf. Darüber hinaus ermöglicht es der pyramidenförmige Hohlraum 22, daß die sphärische Linse 25 in dem Befestigungsbauglied 21 auf zweidimensionale Weise befestigt ist, ohne eine zusätzliche Befestigung für die sphärische Linse 25 zu erfordern. Ferner wird nur ein Befestigungsbauglied (d. h. das Befestigungsbauglied 21) verwendet, um sowohl die sphärische Linse 25 als auch die Photonenvorrichtung 23 zu befestigen oder zu sichern. Das Befestigungsbauglied 21 ermöglicht auch eine minimierte Zusammenbauzeit zum präzisen Befestigen der sphärischen Linse 25, weil eine sphä risch geformte Linse ohne weiteres durch einen pyramidenförmigen Hohlraum erfaßt wird.
Mit Bezugnahme auf 3 bis 5 ist das Befestigungsbauglied 21 aus Silizium hergestellt. Die Größe des Befestigungsbauglieds 21 hängt von der Größe der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 ab. Weil die Photonenvorrichtung 23 von 300 μm bis 1 mm lang sein kann, und die sphärische Linse 25 von 300 μm bis 3 mm reichen kann, kann die Größe des Befestigungsbauglieds 21 so klein wie etwa 600 μm × 600 μm sein. Allgemein gesagt, je kleiner die Größe, um so geringer die damit zusammenhängenden Gesamtkosten.
Die Verwendung von Silizium für das Befestigungsbauglied 21 ermöglicht es, daß das Befestigungsbauglied 21 einem photolithographischen Maskierungs- und Ätzprozeß unterworfen wird, der beim Herstellen von integrierten Halbleiterschaltungen weit verbreitet verwendet wird. Dies ermöglicht es, daß das Befestigungsbauglied 21 mit einem hohen Maß an Genauigkeit verarbeitet wird. Außerdem kann eine große Anzahl des Befestigungsbauglieds 21 aus einem einzelnen Siliziumwafer hergestellt werden, unter Verwendung von Stapelverarbeitung, und somit werden die Herstellungskosten des Befestigungsbauglieds 21 reduziert.
Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Befestigungsbauglied 21 aus einem Silizium mit gegenüberliegenden Oberflächen (z. B. einer oberen Oberfläche 21a und einer unteren Oberfläche) die beide kristallographische <100> Oberflächen sind. Dieser Siliziumtyp wird nachfolgend als <100> Silizium bezeichnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen liegen die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 21 nicht auf den <100> Ebenen und schneiden die <100> Ebenen in einem vorbestimmten Winkel (z. B. α). Alternativ können andere kristalline Halbleitermaterialien verwendet werden, um das Befestigungsbauglied 21 zu bilden.
Wenn der photolithographische Maskierungsprozeß verwendet wird, um eine Öffnung 30 des pyramidenförmigen Hohlraums 22 auf dem <100> Siliziumbefestigungsbauglied 21 zu definieren, ist die Form und die Position der Öffnung 30 mit hoher Genauigkeit präzise definiert. Weil das Befestigungsbauglied 21 aus <100> Silizium hergestellt ist, kann das Befestigungsbauglied 21 dann an der Öffnung 30 anisotrop geätzt werden, um den pyramidenförmigen Hohlraum 22 zu bilden. Die Geschwindigkeit des anisotropen Ätzens kann beispielsweise unter einer gewissen Bedingung 1000 zu 1 sein. Dies bedeutet, daß die vertikale Ätzrate in das Siliziumbefestigungsbauglied 21 tausendmal schneller ist als die Geschwindigkeit des Ätzens zu den kristallographischen <111> Ebenen des Siliziumbefestigungsbauglieds 21. Anders ausgedrückt, die kristallographischen <111> Ebenen dienen als Ätzstopps. Das anisotrope Ätzen bewirkt, daß die geätzten Seitenwände (z. B. die Seitenwände 32 und 33) des pyramidenförmigen Hohlraums 22 auf den kristallographischen <111> Ebenen des Befestigungsbauglieds 21 liegen. Wie es bekannt ist, schneiden die kristallographischen <111> Ebenen die <100> Ebenen des Befestigungsbauglieds 21 bei ungefähr 54,7°. Wenn daher die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 21 auf den <100> Ebenen liegen, schneiden die Seitenwände des Hohlraums 22 die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 21 bei 54,7°. Wenn die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 21 die <100> Ebenen in einem Winkel α schneiden, dann schneidet jede der Seitenwände des Hohlraums 22 die obere und die untere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 21 63 bei einem Winkel von 54,7° ± α.
Die <111> Ebenenseitenwände des pyramidenförmigen Hohlraums 22 definieren das Innere des pyramidenförmigen Hohlraums 22 präzise und bewirken, daß der pyramidenförmige Hohlraum 22 präzisionsgebildet ist, mit Genauigkeiten, die innerhalb des Mikrometer- oder sogar Submikrometerbereichs liegen. Wenn die sphärische Linse 25 in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 sitzt, dann ist die dreidimensionale Position der sphärischen Linse 25 mit der gleichen Genauigkeit definiert wie diejenige des pyramidenförmigen Hohlraums 22, der auf Standardphotolithographieprozessen basiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das anisotrope Ätzen unter Verwendung eines Kaliumhydroxid- (KOH-) Ätzmittels durchgeführt. Alternativ können andere Ätzmitteltypen zum Ätzen des pyramidenförmigen Hohlraums verwendet werden.
Die Öffnung 30 des pyramidenförmigen Hohlraums 22 ist im wesentlichen quadratisch. Eine Öffnungskante (z. B. Öffnungskante 35) ist an der Schnittstelle einer Seitenwand und der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 gebildet. Außerdem ist eine Seitenwandkante (z. B. Seitenwandkante 36) auch an der Schnittstelle von zwei benachbarten Seitenwänden gebildet.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Größe der Öffnung 30 des pyramidenförmigen Hohlraums 22 wünschenswerterweise größer als diejenige der sphärischen Linse 25, so daß die sphärische Linse 25 die Seitenwände und nicht die Öffnungskanten des pyramidenförmigen Hohlraums 22 kontaktiert, wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 sitzt, wie es in 4 gezeigt ist. In diesem Fall liefern die geneigten Seitenwände des pyramidenförmigen Hohlraums 22 robuste Kontaktpunkte (d. h. die Kontaktpunkte 50–53) für die sphärische Linse 25. Wie bekannt ist, ist eine Ebene robuster als eine Kante. Eine Kante ist zerbrechlich und schwierig zu bilden. Falls eine Kante nicht ordnungsgemäß gebildet ist oder abgebrochen ist, können sich die Kontaktpunkte mit der sphärischen Linse bewegen. Dies kann bewirken, daß die Position der sphärischen Linse von der vordefinierten Position verschoben wird. Außerdem können die Kantenkontaktpunkte typischerweise ein sphärisch geformtes Objekt nicht einschließen. Diese Probleme verschwinden, wenn Ebenen verwendet werden, um die Kontaktpunkte zu liefern. Außerdem definieren die geneigten Seitenwände des pyramidenförmigen Hohlraums 22 genau die Position der sphärischen Linse 25 an den Kontaktpunkten. Alternativ ist die Größe des pyramidenförmigen Hohlraums 22 derart, daß die sphärische Linse 25 die Öffnungskanten des pyramidenförmigen Hohlraums 22 kontaktiert, wenn dieselbe in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 sitzt.
Nachdem der pyramidenförmige Hohlraum 22 an dem Befestigungsbauglied 21 gebildet ist, wird die Photonenvorrichtung 23 dann an dem Befestigungsbauglied 21 befestigt. Die Photonenvorrichtung 23 ist auf einer Metallanschlußfläche 24 befestigt, die auf der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 aufgebracht ist. Durch direktes Befestigen der Photonenvorrichtung 23 auf dem Befestigungsbauglied 21 über die Metallanschlußfläche 24 ist die optische Achse 41 der Photonenvorrichtung 23 nahe zu der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21. Dies bewirkt, daß die optische Achse 41 der Photonenvorrichtung 23 eine relativ niedrige Höhe von der oberen Oberfläche 21a aufweist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die optische Achse 41 etwa 90 μm von der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21. Alternativ kann die optische Achse 41 höher oder niedriger als 90 μm von der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 sein.
Die Metallanschlußfläche 24 ist auf einem vorbestimmten Bereich der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 gebildet, das den photolithographischen Prozeß verwendet (d. h. Maskieren und Metallaufbringung durch die Maske). Dies bildet die Metallanschlußfläche 24 in einer vorbestimmten Position auf der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21. Die Metallanschlußfläche 24 liefert einen elektrischen Kontakt für die Photonenvorrichtung 23.
Die Höhe der optischen Achse 41 beeinträchtigt den Strahlfreiraum zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25. Wenn die Höhe der optischen Achse 41 relativ niedrig ist, kann es sein, daß es keinen Strahlfrei raum zwischen den beiden Komponenten 23 und 25 gibt. Selbstverständlich kann man versuchen, dieses Problem zu lösen, durch Erhöhen der Höhe der optischen Achse 41. Dies erzeugt jedoch viele andere Probleme.
Um einen Strahlfreiraum zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 zu liefern, wenn die optische Achse 41 der Photonenvorrichtung 23 eine relativ niedrige Höhe aufweist, ist die Photonenvorrichtung 23 auf dem Befestigungsbauglied 21 plaziert, so daß eine Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 einer Ecke (d. h. der Ecke 45) des pyramidenförmigen Hohlraums 22 zugewandt ist, wie es in 4 gezeigt ist. Eine Diagonale der Öffnung 30 des pyramidenförmigen Hohlraums 22 ist ausgerichtet oder kolinear mit der optischen Achse 41 der Photonenvorrichtung 23, während die andere Diagonale 42 der Öffnung 30 im wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse 41 ist (siehe 4). Dies bewirkt, daß sich der Lichtstrahlweg 43 zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 in den pyramidenförmigen Hohlraum 22 unter der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 erstreckt, ohne Strahlbehinderung durch das Befestigungsbauglied 21. Anders ausgedrückt, ein Lichtstrahlkanal wird an der Ecke 45 für den Lichtstrahlweg 43 erzeugt (siehe 4 und 5). Dies ermöglicht es, daß der Lichtstrahl die sphärische Linse 25 von der Photonenvorrichtung 23 erreicht (oder umgekehrt), ohne irgendeine Strahlbehinderung, und somit eine hohe optische Kopplungseffizienz erreicht.
Es sollte jedoch angemerkt werden, daß kein Lichtstrahlkanal erzeugt wird, und eine Strahlbehinderung auftreten kann, falls eine Seite anstatt einer Ecke der Öffnung 30 der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 zugewandt ist. 11A und 11B zeigen einen solchen Fall. Wie es aus 11A und 11B ersichtlich ist, weist ein pyramidenförmiger Hohlraum 135 in einem Befestigungsbauglied 131 eine Seite auf, die einer Photonenvorrichtung 132 zugewandt ist, die auch an dem Befestigungsbauglied 131 befestigt ist.
Aufgrund der Divergenz des optischen Strahls geht der Lichtstrahlweg 136 zwischen einer sphärischen Linse 133 und der Photonenvorrichtung 132 unter die obere Oberfläche des Befestigungsbauglieds 131 und behindert teilweise den Lichtstrahl. Weil das Siliziumsubstrat undurchlässig ist für Licht, behindert das Befestigungsbauglied 131 das Licht, das in das Befestigungsbauglied 131 verläuft. Gleichartig dazu, wenn die andere Seite der sphärischen Linse 131 in dem pyramidenförmigen Hohlraum 135 sitzt, erfährt dieselbe die gleiche Lichtstrahlbehinderung, wie es in 11A und 11B gezeigt ist.
Wie es aus 3 bis 5 ersichtlich ist, durch Plazieren der Photonenvorrichtung 23 derart, daß die optische Achse derselben 41 mit einer Diagonale des pyramidenförmigen Hohlraums 22 ausgerichtet ist, wird jedoch ein Lichtstrahlkanal zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 erzeugt, selbst wenn die optische Achse 41 eine relativ niedrige Höhe von der oberen Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 aufweist. Obwohl der Lichtstrahlweg 42 unter die obere Oberfläche 21a des Befestigungsbauglieds 21 geht, wie es in 3 bis 5 ersichtlich ist, trifft derselbe nicht das Befestigungsbauglied 21, weil derselbe durch den offenen Raum verläuft, der durch den pyramidenförmigen Hohlraum 22 bereitgestellt wird.
Um den Strahlfreiraum an der anderen Seite des pyramidenförmigen Hohlraums 22 für die sphärische Linse 25 zu liefern, ist eine V-förmige Kerbe 31 an der Ecke gegenüberliegend der Ecke 45 des pyramidenförmigen Hohlraums 22 gebildet (siehe 3 und 4). Die Kerbe 31 wird gebildet, wenn das Befestigungsbauglied 21 entlang dieser Ecke von dem Wafer getrennt wird. In dem Fall, in dem das Befestigungsbauglied 21 in einem Siliziumwafer hergestellt ist, kann der Wafer gesägt oder geritzt werden, so daß die Ecke entfernt wird und die Kerbe gebildet wird. Der Zweck des Bildens der V-förmigen Kerbe 31 ist das Erzeugen eines klaren und unbehinderten Lichtstrahlwegs 40 entlang der optischen Achse 41, wie es in 4 und 5 gezeigt ist. Alternativ können andere Mechanismen verwendet werden, um den Strahlfreiraum zu liefern. Beispielsweise kann ein anderer Hohlraum benachbart zu dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 gebildet werden, so daß die beiden Hohlräume einander überlappen, um die V-förmige Kerbe zu bilden, wie es in 12 bis 14 gezeigt ist. 12 ist eine Draufsicht und 13 eine Querschnittseitenansicht. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine photolithographische Struktur in einem KOH-Ätzmittel geätzt wird, um einen Hohlraum zu bilden, der einen anderen überlappt, um zu einer Kerbe 31 zu führen.
Wie es aus 12 bis 14 ersichtlich ist, überlappt der pyramidenförmige Hohlraum 4 den pyramidenförmigen Hohlraum 203, um die Kerbe 206 zu bilden. Die Form des Hohlraums 204 ist im wesentlichen identisch mit der des Hohlraums 203. Überlappenden pyramidenförmige Hohlräume werden erzeugt von getrennten „dreieckartigen" photolithographischen Anfangsstrukturen. Während das KOH-Ätzen fortschreitet werden die Anfangsstrukturen unterätzt und beginnen, sich zu überlappen, wobei der Grad der Überlappung gesteuert werden kann durch die Form der Anfangsstruktur und die Länge des Ätzens. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Größe des Hohlraums 204 etwas kleiner als diejenige des Hohlraums 203. Alternativ kann die Größe des Hohlraums 204 größer oder kleiner sein als diejenige des Hohlraums 203.
Wie es aus 13 ersichtlich ist, liefert die Kerbe 206 den Strahlfreiraum für den Strahlweg 212. Wie aus 14 ersichtlich ist, wird der Hohlraum 204 zuerst durch anisotropes Ätzen in dem Befestigungsbauglied 201 gebildet, und der Hohlraum 203 wird dann anisotrop zu dem Hohlraum 204 geätzt, was bewirkt, daß die beiden Hohlräume 203–204 überlappen, wodurch die Kerbe 206 gebildet wird. Alternativ kann die Kerbe 206 gebildet werden, indem zunächst der Hohlraum 203 gebildet wird. Der Hohlraum 204 wird dann gebildet, um den Hohlraum 203 zu überlappen.
Die Photonenvorrichtung 23 ist an einem vorbestimmten Abstand von dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 positioniert, so daß die Mitte 30a der Öffnung 30 an dem Brennpunkt der Photonenvorrichtung 23 liegt. Anders ausgedrückt, der Abstand zwischen der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 und dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 ist eingestellt, so daß die sphärische Linse 25 das Licht zu oder von der Photonenvorrichtung 23 optisch koppeln kann. Die vier Kanten der Öffnung 30 sind weder parallel noch senkrecht zu der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23. Statt dessen ist jede derselben in einem ungefähr 45°-Winkel mit der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23. Alternativ kann der Winkel größer oder kleiner als 45° sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der vorbestimmte Abstand derart, daß die nächste Oberfläche der sphärischen Linse 25 zu der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 innerhalb 60 μm von der Vorderfläche 23a der Photonenvorrichtung 23 liegt. Dieser Abstand gilt für viele Anwendungen, insbesondere wo Licht kollimiert werden soll. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Abstand innerhalb 10 μm sein. Alternativ kann der Abstand kürzer oder länger sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Photonenvorrichtung 23 ein Halbleiterlaser. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Photonenvorrichtung 23 ein kantenemittierender Halbleiterlaser. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Photonenvorrichtung 23 ein Photodetektor. In diesem Fall kann der Photodetektor ein oberflächenerfassender Photodetektor oder ein kantenerfassender Photodetektor sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Metallanschlußfläche 24 eine Gold- oder Aluminiumschicht. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können andere elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden, um die Metallanschlußflächen 24 zu bilden.
Die Photonenvorrichtung 23 ist durch bekannte Einrichtungen an der Metallanschlußfläche 24 befestigt. Beispielsweise kann die Photonenvorrichtung 23 durch Löten mit der Metallanschlußfläche 24 verbunden werden. Alternativ kann ein leitfähiges Epoxid verwendet werden, um die Photonenvorrichtung 23 auf der Metallanschlußfläche 24 zu verbinden. Darüber hinaus kann die Photonenvorrichtung 23 zuerst auf die Metallanschlußfläche 24 gelötet werden. Dann können die Luftzwischenräume zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der Metallanschlußfläche 24 durch das leitfähige Epoxid gefüllt werden. Eine bekannte texturierte Kaltschweißtechnik kann auch verwendet werden, um die Photonenvorrichtung 23 mit der Metallanschlußfläche 24 zu verbinden.
Die sphärische Linse 25 ist in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 verbunden, nachdem dieselbe in den pyramidenförmigen Hohlraum 22 gesetzt wurde. Bei einem Ausführungsbeispiel wird Klebstoff verwendet, um die sphärische Linse 25 in dem pyramidenförmigen Hohlraum 22 zu verbinden. Alternativ können andere Haftmaterialtypen verwendet werden, um die sphärische Linse 25 in dem Hohlraum 22 zu verbinden. Beispielsweise kann Epoxid verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Brechungsindex der sphärischen Linse 25 etwa 1,5. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Brechungsindex der sphärischen Linse 25 höher als 1,5 sein. Beispielsweise kann der Brechungsindex der sphärischen Linse 25 2,0 sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der pyramidenförmige Hohlraum 22 im wesentlichen eine vierseitige Pyramide (in 3 und 4 gezeigt). Alternativ kann der pyramidenförmige Hohlraum 22 andere Formen aufweisen. Beispielsweise kann der pyramidenförmige Hohlraum 22 eine abgeschnittene vierseitige Pyramide sein (wie es in 6 gezeigt ist). 6 zeigt das Befestigungsbauglied 21 mit einem abgeschnittenen pyramidenförmigen Hohlraum 22a. Wie es aus 6 ersichtlich ist, verbindet eine flache untere Oberfläche 32a alle Seitenwände (z. B. die Seitenwände 32a und 33a) des pyramidenförmigen Hohlraums 22. Die untere Oberfläche 32a ist nicht in Kontakt mit der sphärischen Linse 25, wenn die sphärische Linse 25 in dem Hohlraum 22a sitzt. In diesem Fall sind die Seitenwände des pyramidenförmigen Hohlraums 22 keine dreieckigen Seitenwände. Statt dessen sind die Seitenwände trapezförmig und sind durch die flache Unteroberfläche 32a verbunden.
Außerdem kann die Öffnung 30 des pyramidenförmigen Hohlraums 22, die in 3 bis 5 gezeigt ist, andere Formen aufweisen. Die Öffnung 30 kann beispielsweise eine quadratische Öffnung sein, wobei eine oder mehrere Ecken des pyramidenförmigen Hohlraums 22 abgeschnitten sind.
7 und 8 zeigen einen anderen Typ von pyramidenförmigem Hohlraum 72, der auf einem Befestigungsbauglied 71 gebildet ist, zum Befestigen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7 ist eine Draufsicht des Befestigungsbauglieds 71 und 8 ist eine Seitenquerschnittsansicht entlang einer optischen Achse 81 der Photonenvorrichtung 23. Wie es aus 4 bis 5 und 7 bis 8 ersichtlich ist, ist der pyramidenförmige Hohlraum 72 identisch mit dem pyramidenförmigen Hohlraum 22, außer daß der pyramidenförmige Hohlraum 72 eine abgeschnittene Ecke 75 und eine flache Unterseite 73 aufweist. Diese Form ist vorteilhaft, wenn der Brennabstand kürzer ist als der Linsen-Ecke-Abstand. Alternativ kann der pyramidenförmige Hohlraum 72 nur die abgeschnittene Ecke 75 aufweisen. Die abgeschnittene Ecke 75 ermöglicht es, daß die Photonenvorrichtung 22 näher zu der sphärischen Linse 25 plaziert werden kann als der pyramidenförmige Hohlraum 22. Die unterschiedlichen Abstände zwischen der Photonenvorrichtung 23 und der sphärischen Linse 25, die durch die pyramidenförmigen Hohlräume 22 und 72 vorgesehen sind, sollen unterschiedliche Entwurfsziele unterbringen, die unterschiedliche Brechungs indizes und Größen verwenden, die die sphärische Linse 25 haben kann.
Es ist anzumerken, daß nicht alle der Komponenten des Photonenmoduls 20 in 3 bis 8 gezeigt sind. Dies ermöglicht es, daß Teile des Photonenmoduls 20 klarer gezeigt werden. Beispielsweise zeigt 3 nicht die sphärische Linse 25 optisch mit einer optischen Faser gekoppelt.
9 und 10 stellen den Prozeß des Ätzens eines kristallinen <100> Substrats 90 dar, um einen pyramidenförmigen Hohlraum 91 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu bilden. 9 ist eine Draufsicht des Halbleitersubstrats 90 und 10 ist eine Seitenquerschnittsansicht entlang der Linie 10-10 von 9. Wie es von 9 und 10 ersichtlich ist, ist die obere <100> Oberfläche des Halbleitersubstrats 90 durch eine im wesentlichen dreieckige Öffnung 92a in einer Photowiderstandsschicht 100 freigelegt (in 10 gezeigt) zum Ätzen des pyramidenförmigen Hohlraums 91. Die dreieckige Öffnung 92a wird photolithographisch auf der photoresistiven Schicht 100 entlang der kristallographischen <100> Achse 120 des Substrats 90 gebildet. Die beiden Kanten 93 und 94 der dreieckigen Öffnung 92a liegen auf den beiden kristallographischen <111> Ebenen des Substrats 90. Alternativ kann die im wesentlichen dreieckige Öffnung 92a wie ein Quadrat mit einer abgeschnittenen Ecke aussehen.
Das Substrat 90 wird dann durch die Öffnung 92a anisotrop geätzt, beispielsweise unter Verwendung des KOH-Ätzmittels. Die Geschwindigkeit der anisotropen Ätzung kann beispielsweise 1000 zu 1 sein, um zu einer vertikalen Wand (z. B. den Wänden 112–112b in 10) zu führen, die sich horizontal unter der photoresistiven Schicht 100 erstrecken, parallel zu der Hypotenuse der dreieckigen Öffnung 92a. Die Ätzrate des Drückens der vertikalen Wand ist etwa gleich wie die vertikale Ätzrate. Das Ätzen wird schließlich von selbst in dem Hohlraum 91 angehalten, wenn die vertikale Wand 112 verschwindet. Zu diesem Zeitpunkt hat der pyramidenförmige Hohlraum 91 eine quadratische Öffnung 92 mit allen vier Seitenwänden definiert durch die kristallographischen <111> Ebenen. Wenn das anisotrope Ätzen bei einer früheren Stufe des Ätzprozesses angehalten wird, wird der pyramidenförmige Hohlraum 91 gebildet, um eine abgeschnittene Ecke aufzuweisen, die durch die vertikale Wand 112 (in 10 gezeigt) gebildet wird. Außerdem kann der pyramidenförmige Hohlraum 91 geätzt werden, um eine flache untere Oberfläche 111 aufzuweisen. 10 zeigt unterschiedliche Stufen des anisotropen Ätzens.
Wie es aus 9 und 10 ersichtlich ist, kann abhängig von den Ätzbedingungen der pyramidenförmige Hohlraum 91 die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 22 von 3 bis 5 die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 22a von 6 oder die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 72 von 7 und 8 aufweisen. Der pyramidenförmige Hohlraum 91 nimmt die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 22 der 3 bis 5 an, wenn der pyramidenförmige Hohlraum 91 vollständig geätzt ist. Wenn das Ätzen endet, bevor der pyramidenförmige Hohlraum 91 vollständig geätzt ist, kann der pyramidenförmige Hohlraum 91 die Form des pyramidenförmigen Hohlraums 72 von 7 und 8 annehmen.

Claims

Eine optische Vorrichtung (20), die folgende Merkmale umfaßt: (A) ein Substrat (21, 71, 90, 201), das eine Oberfläche (21a) aufweist; (B) ein im wesentlichen vierseitiger oder abgeschnittener vierseitiger pyramidenförmiger Hohlraum (22, 22a, 72, 91, 203) in der Oberfläche (21a) des Substrats (21, 71, 90, 201); (C) eine Photonenvorrichtung (23, 202), die an dem Substrat (21, 71, 90, 201) in einem vordefinierten Abstand von dem vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraum (22, 22a, 72, 91, 203) befestigt ist, und zwar unter Ausrichtung der optischen Achse (41, 81) derselben mit einer Linie, die eine Öffnung (30) des vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraums (22, 22a, 72, 91, 203) teilt und senkrecht zu einer Diagonale der Öffnung ist; (D) eine sphärische Linse (25, 205), die durch Seitenwände (32, 33, 32a, 33a) des vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraums (22, 22a, 72, 91, 203), in einer vordefinierten Beziehung mit der Photonenvorrichtung (23, 202) ohne Lichtstrahlbehinderung begrenzt ist.
Die optische Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 1, bei der die Seitenwände (32, 33, 32a, 33a) des vierseiti gen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraums (22, 22a, 72, 91, 203) durch kristallographische Ebenen des Substrats (21, 71, 90, 201) definiert sind.
Die optische Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Substrat (21, 71, 90, 201) aus kristallinem Siliziummaterial hergestellt ist und der vierseitige oder abgeschnittene vierseitige pyramidenförmige Hohlraum (22, 22a, 72, 91, 203) die Seitenwände (32, 33, 32a, 33a) des Hohlraums (22, 22a, 72, 91, 203) überwiegend entlang den kristallographischen Ebenen des Substrats (21, 71, 90, 201) aufweist.
Die optische Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Substrat (21, 71, 90, 201) <100>-Oberflächen aufweist und die Seitenwände (32, 33, 32a, 33a) des vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitige pyramidenförmigen Hohlraums (22, 22a, 72, 91, 203) kristallographische <111>-Ebenen sind.
Die optische Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Photonenvorrichtung (23, 202) entweder ein Halbleiterlaser oder ein Halbleiterphotodetektor ist.
Die optische Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner einen kollidierenden vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraum (204) aufweist, der mit dem vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraum (203) kollidiert, um in einer Ecke des vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraums (203) entfernt von der Photonenvorrichtung (202) entlang der Linie eine Kerbe (206) zu bilden.
Die optische Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 6, bei der der vierseitige oder abgeschnittene vierseitige pyramidenförmige Hohlraum (22, 22a, 72, 203) ferner eine V-förmige Kerbe (31, 206) in einer Ecke des vierseitigen oder abgeschnittenen vierseitigen pyramidenförmigen Hohlraums (22, 22a, 72, 203) umfaßt, entfernt von der Photonenvorrichtung (23) entlang der Linie.
Die optische Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 6, bei der der vierseitige oder abgeschnittene vierseitige pyramidenförmige Hohlraum (72) ferner eine abgeschnittene Ecke (75) umfaßt, benachbart zu der Photonenvorrichtung (23) entlang der Linie.