DE102005031132B4

DE102005031132B4 - Optoelektronisches Modul mit hohem Kopplungswirkungsgrad

Info

Publication number: DE102005031132B4
Application number: DE102005031132A
Authority: DE
Inventors: Ye San Jose Chen
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2025-07-05
Also published as: JP2006106746A; CN1758081A; CN100451709C; US20060078262A1; US7213982B2; DE102005031132A1

Abstract

Optoelektronisches Modul, das folgende Merkmale aufweist:
einen Laser (16), der wirksam ist, um einen divergierenden Lichtstrahl (38) entlang einer optischen Achse (40) zu erzeugen;
eine Kugellinse (18) mit einer Mitte;
ein Substrat (20) mit einer Oberfläche, die den Laser (16) trägt, und einer Ausrichtungsstruktur (22), die die Kugellinse (18) in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche und in einer Richtung normal zu der Substratoberfläche so ausrichtet, dass die Mitte der Kugellinse (18) im Wesentlichen mit der optischen Achse (40) ausgerichtet ist und die Kugellinse (18) den divergierenden Lichtstrahl in einen gebündelten Strahl (44) parallelisiert, wobei der Laser (16) und die Kugellinse (18) direkt an der Substratoberfläche angebracht sind;
einen Reflektor (36), der angeordnet ist, um den gebündelten Strahl (44) abzulenken, um einen abgelenkten, gebündelten Strahl (48) in einer Ebene zu erzeugen, die die Substratoberfläche schneidet; und
eine Fokussierungslinse (26), die angeordnet ist, um den abgelenkten,...

Description

Optoelektronische Module wurden zum Senden von optischen Informationen oder zum Empfangen optischer Informationen oder für beides entwickelt. Ein optoelektronisches Modul umfasst üblicherweise zumindest eine aktive Vorrichtung, wie z. B. einen optischen Empfänger oder einen optischen Sender, und eine Linse zum Koppeln von Licht zwischen der aktiven Vorrichtung und einer optischen Faser eines Faseroptikkabels. Ein optoelektronisches Modul umfasst üblicherweise einen Verbinder mit einer Bohrung, die konfiguriert ist, um eine Hülse aufzunehmen, die eine optische Faser des Faseroptikkabels hält. Die Bohrung positioniert ein Ende der optischen Faser an dem Fokal-Punkt der Linse des optoelektronischen Moduls.
Während der Herstellung eines optoelektronischen Moduls werden die optischen Komponenten miteinander und mit einer optischen Faser eines Faseroptikkabels ausgerichtet, um den Kopplungswirkungsgrad zwischen der aktiven Vorrichtung und der optischen Faser zu optimieren. Bei einem aktiven Ausrichtungslösungsansatz wird der Verbinder, der die Hülse hält, mechanisch manipuliert, bis eine optimale Kopplung zwischen der optischen Faser, die durch die Hülse gehalten wird, und der aktiven Vorrichtung innerhalb des optoelektronischen Moduls, erreicht wird. Nachdem die optimale Kopplung erreicht wurde, ist der Verbinder mit dem optoelektronischen Modul verbunden. Dieser Prozess erfordert entweder eine menschliche Wechselwirkung oder eine teure Ausrüstung, die den Verbinder zittermäßig automatisch in die optimale Position bringt.
Einige Typen optoelektronischer Module verwenden bearbeitete Teile, um die aktiven Vorrichtungen und die Kopplungsoptik auszurichten. Die Ausrichtungsgenauigkeiten solcher bearbeiteten Teile sind niedrig. Um die großen angesammel ten Ausrichtungsfehlanpassungen zu kompensieren, die solchen Entwürfen eigen sind, wird der Verbinder üblicherweise aktiv mit der Fokussierungslinse in drei Dimensionen ausgerichtet, um einen hohen Kopplungswirkungsgrad mit der optischen Faser zu erreichen. Eine aktive Ausrichtung in drei Dimensionen erhöht jedoch die Kosten und die Komplexität des Optische-Ausrichtung-Prozesses.

Planare optische Waferebenen-Anordnungen wurden entwickelt, um Licht zwischen einem externen Faseroptikkabel und den aktiven Komponenten optoelektronischer Module zu koppeln. Diese optischen Anordnungen vereinfachen die Aufgaben des Packens der aktiven Vorrichtungen und Ausrichtens der Kopplungsoptik mit dem externen Faseroptikkabel. Die Kopplungsoptik in den optischen Senderwegen dieser Entwürfe umfasst eine einzelne Linse zum Fokussieren eines divergierenden Lichtstrahls von einem Laser auf das Empfangsende einer optischen Faser. Die Verwendung einer solchen Fokussierungslinse erlegt dem Entwurf der optischen Komponenten entlang des optischen Senderwegs zwischen dem Laser und der Fokussierungslinse bedeutende Einschränkungen auf. Zusätzlich dazu, bei Entwürfen, die eine einzelne Kugellinse zum Fokussieren von Licht von einem Laser auf eine externe optische Faser verwenden, bringt die Kugellinse bedeutende Aberrationen ein, die den Kopplungswirkungsgrad zwischen dem Laser und der externen optischen Faser reduzieren.

Die DE 19510559 C1 befasst sich mit der Problematik des Aussendens und Empfangens von Laserlicht zwischen einem optischen Sender, der innerhalb eines TO-Gehäuses befestigt ist, und einer optischen Faser, die mit dem TO-Gehäuse verbunden ist. Hierzu wird eine optische Sende- und Empfangsanorndung mit einem Lichtwellenleiter, einem Sender, einem Empfänger und einer Koppeloptik zwischen Sender und Empfänger vorgeschlagen. In dieser Schrift wird davon ausgegangen, dass es bekannt ist, einzelne Komponentenaufträge zu fixieren, die Reflexionsflächen aufweisen und die durch anisotropes Ätzen hergestellte Nuten aufweisen, in denen die Komponenten befestigt sind. Gemäß der dortigen Lehre wird der Aufbau einer derartigen Anordnung erleichtert, wenn die optisch aktiven Komponenten auf einer Seite eines einzigen Trägers montiert werden.

Aus der DE 19618149 A1 ist eine optische Verbindungsleiste zum Vernetzen von Baugruppen innerhalb von Baugruppenträgern bekannt, bei der kombinierte Linsen/Spiegelelemente als Umlenkelemente in der Verbindungsleiste integriert sind, die das vom Baugruppenträger emittierte oder detektierte oder kollimierte Lichtstrahlenbündel umlenken, fokussieren und in einen Lichtwellenleiter einkoppeln. Das Umlenkelement kann als Halbkugellinse oder Hohlspiegel ausgebildet sein.

Aus der EP 238977 B1 ist ein optisches Sende- und Empfangsmodul für bidirektionale Kommunikationsnetze bekannt, das einen optischen Sender, zwei im Strahlengang des vom Sender divergent ausgesandten Lichts hintereinander angeordnete optische Linsen, eine im Strahlengang des Lichts zwischen den Linsen angeordnete Lichtstrahltrenneinrichtung, einen Detektor und ein Gehäuse umfasst, in dem zumindest der Sender, die Sendernahe Linse, die Lichtstrahltrenneinrichtung und der Detektor aufgenommen sind. Der Sender und die sendernahe Linse sind auf einem gemeinsamen, fest mit dem Gehäuse verbundenen Trägerkörper fixiert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Modul und ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Modul gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls gemäß Anspruch 12 gelöst.

Die Erfindung weist ein optoelektronisches Modul, ein optoelektronisches Verfahren und ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls auf.

Bei einem Aspekt weist die Erfindung ein optoelektronisches Modul auf, das einen Laser, eine Kugellinse, ein Substrat, einen Reflektor und eine Fokussierungslinse umfasst. Der Laser ist wirksam, um einen divergierenden Lichtstrahl entlang einer optischen Achse zu erzeugen. Die Kugellinse weist eine Mitte auf. Das Substrat weist eine Oberfläche auf, die den Laser und eine Ausrichtungsstruktur trägt. Die Ausrichtungsstruktur richtet die Kugellinse in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche in einer Richtung normal zu der Substratoberfläche aus, so dass die Mitte der Kugellinse im Wesentlichen mit der optischen Achse ausgerichtet ist und die Kugellinse den divergierenden Lichtstrahl in einen gebündelten Strahl parallelisiert. Der Reflektor ist angeordnet, um den gebündelten Strahl abzulenken, um einen abgelenkten gebündelten Strahl in einer Ebene zu erzeugen, die die Substratoberfläche schneidet. Die Fokussierungslinse ist angeordnet, um den abgelenkten gebündelten Strahl zu fokussieren.

Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein divergierender Lichtstrahl entlang einer optischen Achse erzeugt. Der divergierende Lichtstrahl wird in einen gebündelten Strahl parallelisiert. Der gebündelte Strahl wird entlang eines abgelenkten Strahlwegs abgelenkt. Der abgelenkte, gebündelte Strahl wird fokussiert.

Die Erfindung weist ferner ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen optoelektronischen Moduls auf.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich, die die Zeichnungen und die Ansprüche umfasst.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen nähr erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Moduls;
2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Verfahrens;
3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen des optoelektronischen Moduls, das in 1 gezeigt ist;
4 ein Blockdiagramm einer Implementierung einer Laser-Teilanordnung des optoelektronischen Moduls, das in 1 gezeigt ist;
5 ein Blockdiagramm einer anderen Implementierung einer Laser-Teilanordnung des optoelektronischen Moduls, das in 1 gezeigt ist;
6A bis 6C schematische Ansichten des Lichtstrahlwegs durch das optoelektronische Modul, das in 1 gezeigt ist, mit unterschiedlichen Graden einer axialen Fehlausrichtung zwischen dem Laser und der Kugellinse und unterschiedlichen Graden einer lateralen Fehlausrichtung zwischen der Fokussierungslinse und dem gebündelten Strahl, der durch die Laser-Teilanordnung des optoelektronischen Moduls erzeugt wird;
7A einen Graphen des Kopplungswirkungsgrads (CE; CE = coupling efficiency), gezeichnet als eine Funktion einer axialen Fehlausrichtung zwischen dem Laser und der Kollimatorlinse bei einer Implementierung des optoelektronischen Moduls, das in 1 gezeigt ist; und
7B einen Graphen des Kopplungswirkungsgrads (CE) gezeichnet als eine Funktion einer lateralen Fehlausrichtung zwischen einer externen optischen Faser und der Fokussierungslinse bei einer Implementierung des optoelektronischen Moduls, das in 1 gezeigt ist.
Bei der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu identifizieren. Ferner sollen die Zeichnungen Hauptmerkmale von exemplarischen Ausführungsbeispielen auf diagrammatische Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen nicht jedes Merkmal der tatsächlichen Ausführungsbeispiele und auch keine relativen Abmessungen der gezeigten Elemente darstellen, und sie sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Die optoelektronischen Module, die nachfolgend detaillierter beschrieben werden, umfassen eine Laser-Teilanordnung, die eine Ausrichtungsstruktur zum Ausrichten eines Lasers und einer Kollimator-Kugellinse mit hoher Genauigkeit aufweist. Eine separate Fokussierungslinse koppelt den gebündelten Strahl von der Laser-Teilanordnung zu einer externen optischen Faser. Die hohe Ausrichtungsgenauigkeit zwischen dem Laser und der Kollimatorkugellinse lockert die Ausrichtungstoleranzen zwischen dem gebündelten Laserlicht und der Fokussierungslinse, die benötigt werden, um einen hohen Kopplungswirkungsgrad mit einer externen optischen Faser zu erreichen. Zusätzlich dazu erhöht das Bündeln des Laserlichts in der Laser-Teilanordnung die Flexibilität, mit der die Kopplungsoptik-Teilanordnung dieser optoelektronischen Module entworfen sein kann. Zum Beispiel können bei einigen Implementierungen die Laser-Teilanordnung und die Kopplungsoptik-Teilanordnung als separate modulare Komponenten entworfen und optimiert sein, wodurch ein einzelner Laser-Teilanordnungsentwurf mit unterschiedlichen Kopplungsoptik-Teilanordnungen kombiniert werden kann, um unterschiedliche Anwendungsbedürfnisse zu erfüllen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Moduls 10, das eine Laser-Teilanordnung 12 und eine Kopplungsoptik-Teilanordnung 14 umfasst. Die Laser-Teilanordnung 12 umfasst einen Laser 16, eine Kugellinse 18 und ein Substrat 20. Das Substrat 20 weist eine Oberfläche auf, die den Laser 16 trägt, und eine Ausrichtungsstruktur 22, die die Kugellinse 18 in Ausrichtung mit der optischen Achse 40 des Lichtstrahls 38 ausrichtet, der durch den Laser 16 erzeugt wird. Die Kopplungsoptik-Teilanordnung 14 umfasst ein optisches Substrat 24, eine Fokussierungslinse 26, einen optischen Isolator 28 und einen Faseroptikverbinder 30. Der Faseroptikverbinder 30 ist konfiguriert, um eine Hülse 32 aufzunehmen, die das Empfangsende einer optischen Faser 34 hält. Ein Reflektor 36 koppelt das Laserlicht von der Laser-Teilanordnung 12 mit der Fokussierungslinse 26 der Kopplungsoptik-Teilanordnung 14.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, durch das das optoelektronische Modul 10 Licht von dem Laser 16 in das Empfangsende der optischen Faser 34 koppelt. Der Laser 16 erzeugt einen divergierenden Lichtstrahl 38 entlang einer optischen Achse 40 (Block 42). Die Kugellinse 18 parallelisiert den divergierenden Lichtstrahl 38 in einem gebündelten Strahl 44 (Block 46). Der Reflektor 36 lenkt den gebündelten Strahl 44 ab, um einen abgelenkten, gebündelten Strahl 48 zu erzeugen (Block 50). Die Fokussierungslinse 26 fokussiert den abgelenkten, gebündelten Strahl 48 auf das Empfangsende der optischen Faser 34 (Block 52).
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen des optoelektronischen Moduls 10.
Die Laser-Teilanordnung 12 wird wie folgt hergestellt. Anfänglich wird das Substrat 20 mit einer Oberfläche, die die Ausrichtungsstruktur 22 trägt, bereitgestellt (Block 60). Im Allgemeinen kann das Substrat 20 aus einem beliebigen Materialtyp gebildet sein, auf dem die Ausrichtungsstruktur 22 gebildet werden kann, einschließlich aus einem Halbleitermaterial (z. B. Silizium), einem Keramikmaterial und aus bestimmten Kunststoffmaterialien (z. B. PTFE). Die Ausrichtungsstruktur 22 umfasst eines oder mehrere Ausrichtungsmerkmale, die mit hoher Präzision dimensioniert und angeordnet sind. Bei einigen Implementierungen werden die Ausrichtungsmerkmale unter Verwendung photolithographischer Prozesse mit einer Präzision von ±5 Mikrometern (μm) dimensioniert und angeordnet.
4 zeigt eine Implementierung der Laser-Teilanordnung 12, bei der die Ausrichtungsstruktur 22 eine Ausrichtungsschicht 62 umfasst, die einen Positionierungshohlraum 64 und eine Stoppkante 66 definiert, die an das Laserlicht-Ausgangsende des Lasers 16 angrenzt. Die Ausrichtungsschicht 62 kann aus einem beliebigen Materialtyp gebildet sein, der auf die Oberfläche des Substrats 20 unter Verwendung von Dünnfilm-Aufbringungsverfahren aufgebracht werden kann und unter Verwendung photolithographischer Prozesse geätzt werden kann. Bei einer Implementierung ist die Ausrichtungsschicht 62 eine Polyimid-Photoresistschicht, die auf die Oberfläche des Substrats 20 gedrückt wird, das ultraviolettem Licht durch eine Maske ausgesetzt wird, die den Positionierungshohlraum 64 und die Stoppkante 66 definiert, und entwickelt ist, um den Positionierungshohlraum 64 und die Stoppkante 66 in den nicht-entwickelten Regionen der Ausrichtungsschicht 62 zu bilden.
5 zeigt eine Implementierung der Laser-Teilanordnung 12, bei der die Ausrichtungsstruktur 22 aus einem Positionierungshohlraum 70 besteht, der in dem Substrat 20 gebildet ist. Bei einer Implementierung wird eine Photoresist-Ätzmaske auf die Oberfläche des Substrats 20 aufgebracht. Die Ätzmaske wird photolithographisch entwickelt, um die Öffnung des Positionierungshohlraums 70 zu definieren. Der Bereich des Substrats 20, das durch die Ätzmaske freiliegend ist, wird geätzt, um den Positionierungshohlraum 70 zu bilden. Bei einigen Implementierungen wird das Substrat 70 unter Verwendung eines isotropischen Ätzprozesses geätzt, wie z. B. mit reaktivem Ionenätzen, das Seitenwände bildet, die im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 20 sind. Nachdem der Positionierungshohlraum 70 gebildet wurde, wird die Ätzmaske unter Verwendung eines Lösungsmittels entfernt.
Jeder der Positionierungshohlräume 64, 70 weist eine Öffnung an der oberen Oberfläche der Ausrichtungsschicht 62 auf, die dimensioniert ist, um die Höhe der Mitte der Kugellinse 18 über der Oberfläche des Substrats 20 einzustellen, so dass dieselbe mit der Höhe der optischen Achse 40 zusammenfällt, so dass die Kugellinse vertikal in einer Richtung (Z) normal zu dem Substrat 20 ausgerichtet ist. Die Öffnungen der Positionierungshohlräume können eine geeignete Form aufweisen, einschließlich einem regulären Polygon, wie z. B. ein gleichseitiges Dreieck oder ein Quadrat und ein Kreis. Der Ort des Positionierungshohlraums 64 relativ zu dem Ort des Lasers 16 ist entworfen, um die Kugellinse 18 in Richtungen (X, Y) in einer Ebene parallel zu der Oberfläche des Substrats 20 auszurichten. Bei einer exemplarischen Implementierung ist die Mitte der Kugellinse 18 mit der optischen Achse 40 in einer lateralen Richtung (Z) innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±10 Mikrometern ausgerichtet, die Mitte der Kugellinse 18 ist mit der optischen Achse 40 in einer lateralen Richtung (Y) in der Parallelebene senkrecht zu der optischen Achse 40 innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±10 μm ausgerichtet, und die Mitte der Kugellinse 18 ist mit der optischen Achse 40 in einer axialen Richtung (X) entlang der optischen Achse 40 innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±5 μm ausgerichtet. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „axiale Richtung" auf eine Richtung entlang der Achse eines Lichtstrahls, und der Ausdruck „laterale Richtung" bezieht sich auf eine Richtung in einer Ebene normal zu der Achse eines Lichtstrahls.
Bezug nehmend wiederum auf 3, nachdem das Substrat 20 bereitgestellt wurde (Block 60), wird der Laser 16 an dem Substrat befestigt (Block 72). Der Laser 16 kann ein Laser mit Kantenstrahlung sein, wie z. B. ein Fabry-Perot-Laser. Der Laser 16 kann mit der Oberfläche des Substrats 20 unter Verwendung eines Präzisionsform-Anbringverfahrens verbunden werden. Bei der Implementierung, die in 4 gezeigt ist, ist das Laserlicht-Ausgangsende des Lasers 16 gegen die Stoppkante 66 der Ausrichtungsschicht 62 positioniert.
Nachdem der Laser 16 an dem Substrat 20 befestigt wurde (Block 72), wird die Kugellinse 18 an die Ausrichtungsstruktur 22 angebracht (Block 74). Die Kugellinse 18 kann aus einem optisch transparenten Material gebildet sein (z. B. Saphir oder Quarz), das einen gewünschten Brechungsindex aufweist. Bei den Implementierungen, die in 4 und 5 gezeigt sind, ist die Kugellinse 18 innerhalb der Positionierungshohlräume 64 bzw. 70 positioniert und die Kugellinse 18 ist mit dem Substrat 20 unter Verwendung eines Haftmittels verbunden, wie z. B. eines Epoxidhaftmittels. Die Öffnungen der Positionierungshohlräume 64, 70 weisen Abmessungen auf, die straff gesteuert werden, so dass die Mitte der Kugellinse 18 mit der optischen Achse 40 des Strahls 38 mit hoher Genauigkeit ausgerichtet ist, wie oben erklärt wurde.
Nachdem die Kugellinse 18 an die Ausrichtungsstruktur 22 angebracht wurde (Block 74), wird der Reflektor 36 bereitgestellt (Block 76). Der Reflektor 36 umfasst eine planare, reflektierende Oberfläche, die den gebündelten Strahl 44 in den abgelenkten, gebündelten Strahl 48 ablenkt. Bei den dargestellten Implementierungen ist der Reflektor 36 eine dünne Schicht eines reflektierenden Materials (z. B. Gold), das auf eine Seitenwand eines Zwischenpositionierersubstrats 78 aufgebracht wird, das zwischen das Laser- Teilanordnungssubstrat 20 und das optische Substrat 24 der Kopplungsoptik-Teilanordnung 14 gekoppelt ist. Bei anderen Implementierungen kann der Reflektor 36 als Teil der Laser-Teilanordnung 12 oder als Teil der Kopplungsoptik-Teilanordnung 14 gebildet sein. Zum Beispiel sind bei einigen Implementierungen der Laser 16, die Kugellinse 18 und die Ausrichtungsstruktur 22 innerhalb eines Hohlraums gebildet, der in dem Substrat 20 gebildet ist, und der Reflektor 36 ist als ein Teil der Laser-Teilanordnung 12 gebildet, durch Aufbringen eines reflektierenden Materials (z. B. einer Schicht aus Gold) auf eine gewinkelte Seitenwand des Hohlraums.
Bei einigen Implementierungen ist die planare, reflektierende Oberfläche des Reflektors 36 in einem Winkel von 45° relativ zu der Achse des gebündelten Strahls 44 ausgerichtet, so dass die Achse des abgelenkten, gebündelten Strahls 48 senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 20 ist. Bei anderen Implementierungen ist die planare, reflektierende Oberfläche des Reflektors 36 in einem anderen Winkel als 45° relativ zu der Achse des gebündelten Strahls 44 ausgerichtet. Bei einer dieser Implementierungen ist die planare, reflektierende Oberfläche des Reflektors 36 z. B. in einem Winkel von 49° relativ zu der Achse des gebündelten Strahls 44 ausgerichtet, wobei in diesem Fall die Achse des abgelenkten gebündelten Strahls 48 in einem Winkel von 98° relativ zu der Oberfläche des Substrats 20 ist. Ein Neigen des abgelenkten, gebündelten Strahls 48 in einem anderen Winkel als 90° relativ zu der Oberfläche des Substrats 20 reduziert Rückreflektierungen, die anderweitig das Verhalten des Lasers 16 nachteilhaft beeinflussen könnten.
Jede der 6A–6C zeigt einen jeweiligen Satz aus drei Simulierter-Laserstrahl-Wegen für unterschiedliche Grade einer axialen Fehlausrichtung zwischen dem Laser 16 und der Kugellinse 18. Die simulierten Strahlwege, die in 6A–6C gezeigt sind, werden basierend auf einer exemplarischen Implementierung des optoelektronischen Moduls 10 berechnet, bei dem der Laser 16 eine Öffnung mit einem Durchmesser von 2 μm und eine numerische Apertur (NA) von 0,5 aufweist, die Kugellinse 18 aus Saphir hergestellt ist und einen Durchmesser von 300 μm aufweist, das optische Substrat 24 eine Dicke von 500 μm entlang der Achse des abgelenkten, gebündelten Strahls 48 aufweist, die Fokussierungslinse 26 aus Silizium hergestellt ist und eine Dicke von 650 μm entlang der Achse des abgelenkten, gebündelten Strahls 48 aufweist und der optische Isolator 28 eine Dicke von 1.100 μm entlang der Achse des abgelenkten, gebündelten Strahls 48 aufweist. Für jede der Simulationen, die in 6A–6C gezeigt sind, ist der Reflektor 36 in einem Winkel von 49° relativ zu der Achse des gebündelten Strahls 44 ausgerichtet, so dass der resultierende, abgelenkte Strahl 48 in einem Winkel von 98° relativ zu der Oberfläche des Substrats 20 ausgerichtet ist.
In 6A entspricht der simulierte Strahlweg 82 dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 mit der Achse des Strahls 48 ausgerichtet ist und der Ausgang des Lasers 16 an dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 angeordnet ist; der simulierte Strahlweg 84 entspricht dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 mit der Achse des Strahls 48 ausgerichtet ist und der Ausgang des Lasers 16 von dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 um +10 μm versetzt ist; und der simulierte Strahlweg 86 entspricht dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 mit der Achse des Strahls 48 ausgerichtet ist und der Ausgang des Lasers 16 von dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 um –10 μm versetzt ist.
In 6B entspricht der simulierte Strahlweg 88 dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 von der Achse des Strahls 48 um +30 μm versetzt ist und der Ausgang des Lasers 16 an dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 angeordnete ist; der simulierte Strahlweg 90 entspricht dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 von der Achse des Strahls 48 um +30 μm versetzt ist und der Ausgang des Lasers 16 von dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 um +10 μm versetzt ist; und der simulierte Strahlweg 92 entspricht dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 von der Achse des Strahls 48 um +30 μm versetzt ist und der Ausgang des Lasers 16 von dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 um –10 μm versetzt ist.
In 6C entspricht der simulierte Strahlweg 94 dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 von der Achse des Strahls 48 um –30 μm versetzt ist und der Ausgang des Lasers 16 an dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 angeordnet ist; der simulierte Strahlweg 96 entspricht dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 von der Achse des Strahls 48 um –30 μm versetzt ist und der Ausgang des Lasers 16 von dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 um +10 μm versetzt ist; und der simulierte Strahlweg 98 entspricht dem Fall, in dem die Achse der Fokussierungslinse 26 von der Achse des Strahls 48 um –30 μm versetzt ist und der Ausgang des Lasers 16 von dem Fokalpunkt der Kugellinse 18 um –10 μm versetzt ist.
Die simulierten Kopplungswirkungsgrade, die den verschiedenen Anordnungen von Komponenten zugeordnet sind, die in 6A–6C gezeigt sind, werden in Tabelle 1 unten präsentiert.
Tabelle 1
Basierend auf diesen Simulationen wurde bestimmt, dass zum Beibehalten eines Kopplungswirkungsgrad-Abfalls von 2 dB oder weniger bei der exemplarischen Implementierung des optoelektronischen Moduls 10, das oben beschrieben wurde, der Laser 16 und die Kugellinse 18 innerhalb eines Toleranzbereichs von ±4 μm ausgerichtet sein sollten und die Fokussierungslinse 26 und die optische Faser 34 innerhalb eines Toleranzbereichs von ±3,5 μm ausgerichtet sein sollten. Zusätzlich dazu schlagen diese Simulierungen vor, dass der rückreflektierte Leistungspegel am höchsten ist (–43 dB) für den Fall, in dem der Laser 16 und die Kugellinse 18 axial um –10 μm falsch ausgerichtet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass der rückreflektierte Leistungspegel –19 dB ist, wenn der Reflektor 36 in einem Winkel von 45° relativ zu der Achse des gebündelten Strahls 44 ausgerichtet ist.
Bezug nehmend zurück auf 3 wird nachdem der Reflektor 36 bereitgestellt wurde (Block 76) die Fokussierungslinse 26 bereitgestellt (Block 100). Im Allgemeinen kann die Fokussierungslinse 26 ein beliebiger Linsentyp sein, einschließlich einem Typ einer Brechungslinse und einem Typ einer Beugungslinse. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fokussierungslinse 26 eine Brechungs-Mikrolinse, die mit dem optischen Substrat 24 unter Verwendung eines Haftmittels verbunden ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Fokussierungslinse 26 lithographisch in dem optischen Substrat 24 gebildet. Das optische Substrat 24 kann aus einem Material gebildet sein, das im Wesentlichen transparent für den abgelenkten, gebündelten Laserlichtstrahl 48 ist. Bei einer Implementierung ist das optische Substrat 24 aus Silizium gebildet. Bei einer anderen Implementierung sind das optische Substrat 24 und die Fokussierungslinse 26 aus Saphir gebildet.
Der Prozess des Bereitstellens der Fokussierungslinse 26 (Block 80) umfasst das Ausrichten des Verbinders 30 mit dem abgelenkten, gebündelten Strahl 48. Der Verbinder 30 ist mit der oberen Oberfläche des optischen Substrats 24 über die Fokussierungslinse 26 verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Verbinder 30 den optischen Isolator 28. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der optische Isolator 28 an einem unterschiedlichen Ort entlang des Laserstrahlwegs durch das optoelektronische Modul 10 angeordnet sein. Einige Ausführungsbeispiele umfassen den optischen Isolator 28 möglicherweise nicht. Die Bündelung des abgelenkten Strahls 48 ermöglicht, dass der Verbinder 38 mit dem abgelenkten Strahl 48 ausgerichtet wird, einfach durch Einstellen der Position des Verbinders 30 in einer Ebene normal zu der oberen Oberfläche des optischen Substrats 24 (sogenannte „passive Z-Ausrichtung"), wodurch die Kosten und die Komplexität des Optische-Ausrichtung-Prozesses reduziert werden.
Ein Bündeln des Laserlichts in der Laser-Teilanordnung 12 erhöht ferner die Flexibilität, mit der die Kopplungsoptik-Teilanordnung 14 des optoelektronischen Moduls 10 entworfen werden kann. Zum Beispiel ermöglicht die Bündelung des abgelenkten Strahls 48, dass die Dicke des optischen Substrats 24 und die Axialposition der Fokussierungslinse 26 separat von der Laser-Teilanordnung 12 optimiert werden.
Zusätzlich dazu lockert die Bündelung des abgelenkten Strahls 48 die lateralen Ausrichtungstoleranzeinschränkungen für die Fokussierungslinse 26, wie durch die Graphen nachgewiesen wird, die in 7A und 7B gezeigt sind. Diese Graphen wurden basierend auf einer exemplarischen Implementierung des optoelektronischen Moduls 10 berechnet, das eine Saphirkugellinse 18 mit einem Durchmesser von 300 μm, einen Laser 16 mit Kantenstrahlung mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,5, eine sphärische Fokussierungslinse 26 und eine Einmodenfaser (SFM-Faser; SFM = single mode fiber) 28 aufweist.
7A zeigt einen Graphen des simulierten Kopplungswirkungsgrads für das optoelektronische Modul 10, der als eine Funktion der Fehlausrichtung zwischen dem Laser 16 und der Kugellinse 18 entlang der axialen Richtung (X) entlang der optischen Achse 40 in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Substrats 20 gezeichnet ist. 7B zeigt einen Graphen des simulierten Kopplungswirkungsgrads, der als eine Funktion der lateralen Fehlausrichtung zwischen der optischen Faser 34 und der Fokussierungslinse 26 entlang den lateralen Richtungen (Y, Z) in der normalen Ebene zu der Achse des abgelenkten gebündelten Strahls 48 gezeichnet ist. Wie in 7A und 7B gezeigt ist, ist der Kopplungswirkungsgrad viel empfindlicher gegenüber einer axialen Fehlausrichtung zwischen dem Laser 16 und der Kugellinse 18 als er es gegenüber der lateralen Fehlausrichtung zwischen der optischen Faser 34 und der Fokussierungslinse 26 ist. Somit ist bei einigen Implementierungen die Mitte der Kugellinse 18 axial mit der optischen Achse 40 innerhalb eines ersten Ausrichtungstoleranzbereichs ausgerichtet, und die Fokussierungslinse 26 ist lateral mit dem abgelenkten, gebündelten Strahl 48 innerhalb eines zweiten Ausrichtungstoleranzbereichs ausgerichtet, der größer ist als der erste Ausrichtungstoleranzbereich. Andere Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche.

Claims

Optoelektronisches Modul, das folgende Merkmale aufweist: einen Laser (16), der wirksam ist, um einen divergierenden Lichtstrahl (38) entlang einer optischen Achse (40) zu erzeugen; eine Kugellinse (18) mit einer Mitte; ein Substrat (20) mit einer Oberfläche, die den Laser (16) trägt, und einer Ausrichtungsstruktur (22), die die Kugellinse (18) in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche und in einer Richtung normal zu der Substratoberfläche so ausrichtet, dass die Mitte der Kugellinse (18) im Wesentlichen mit der optischen Achse (40) ausgerichtet ist und die Kugellinse (18) den divergierenden Lichtstrahl in einen gebündelten Strahl (44) parallelisiert, wobei der Laser (16) und die Kugellinse (18) direkt an der Substratoberfläche angebracht sind; einen Reflektor (36), der angeordnet ist, um den gebündelten Strahl (44) abzulenken, um einen abgelenkten, gebündelten Strahl (48) in einer Ebene zu erzeugen, die die Substratoberfläche schneidet; und eine Fokussierungslinse (26), die angeordnet ist, um den abgelenkten, gebündelten Strahl (48) zu fokussieren.
Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 1, bei dem die Mitte der Kugellinse (18) mit der optischen Achse (40) innerhalb eines ersten Ausrichtungstoleranzbereichs ausgerichtet ist und die Fokussierungslinse (26) mit dem abgelenkten, gebündelten Strahl (48) innerhalb eines zweiten Ausrichtungstoleranzbereichs ausgerichtet ist, der größer ist als der erste Ausrichtungstoleranzbereich.
Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 2, bei dem die Mitte der Kugellinse (18) mit der optischen Achse in der normalen Richtung innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±10 μm ausgerichtet ist, die Mitte der Kugellinse (18) mit der optischen Achse (40) in einer lateralen Richtung in der parallelen Ebene senkrecht zu der optischen Achse (40) innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±10 μm ausgerichtet ist und die Mitte der Kugellinse (18) mit dem Laser (16) in einer axialen Richtung entlang der optischen Achse (40) innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±5 μm ausgerichtet ist.
Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 3, bei dem der zweite Ausrichtungstoleranzbereich ±30 μm beträgt.
Optoelektronisches Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ausrichtungsstruktur einen Positionierungshohlraum (64, 70) aufweist, in dem die Kugellinse (18) teilweise angeordnet ist.
Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 5, bei dem der Positionierungshohlraum (64, 70) Seitenwände im Wesentlichen normal zu der Substratoberfläche aufweist.
Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem der Positionierungshohlraum (70) in dem Substrat (20) vorliegt.
Optoelektronisches Modul gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Positionierungshohlraum (64) in einer Schicht (62) aus Material auf der Substratoberfläche vorliegt.
Optoelektronisches Modul gemäß Anspruch 8, bei dem die Schicht (62) eine Stoppkante (62) aufweist, die an den Laser (16) angrenzt.
Optoelektronisches Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Reflektor (36) angeordnet ist, um den gebündelten Strahl (44) in einer Ebene zu erzeugen, die die Substratoberfläche in einem Winkel von mehr als 90° schneidet.
Optoelektronisches Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner ein zweites Substrat (24) über dem ersten Substrat (20) und das die Fokussierungslinse (26) trägt, aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Moduls, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Substrats (20) mit einer Oberfläche; photolithographisches Verarbeiten des Substrats (20), um eine Ausrichtungsstruktur (22) zu bilden, die durch das Substrat (20) getragen wird; Befestigen eines Lasers (16) an dem Substrat (20) in Ausrichtung mit der Ausrichtungsstruktur (22), wobei der Laser (16) wirksam ist, um einen divergierenden Lichtstrahl (38) entlang einer optischen Achse (40) zu erzeugen; Anbringen einer Kugellinse (18) an der Ausrichtungsstruktur (22), so dass die Kugellinse (18) in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche und in einer Richtung normal zu der Substratoberfläche ausgerichtet ist, wobei die Kugellinse (18) eine Mitte aufweist, die im Wesentlichen mit der optischen Achse (40) ausgerichtet ist, und die Kugellinse (18) den divergie renden Lichtstrahl (38) in einen gebündelten Strahl (44) parallelisiert; Bereitstellen eines Reflektors (36), der angeordnet ist, um den gebündelten Strahl (44) abzulenken, um einen abgelenkten, gebündelten Strahl (48) in einer Ebene zu erzeugen, die die Substratoberfläche schneidet; und Bereitstellen einer Fokussierungslinse (26), die angeordnet ist, um den abgelenkten, gebündelten Strahl (48) zu fokussieren.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das Anbringen ein Ausrichten der Mitte der Kugellinse (18) mit der optischen Achse (40) innerhalb eines ersten Ausrichtungstoleranzbereichs aufweist und das Bereitstellen der Fokussierungslinse (26) ein Ausrichten der Fokussierungslinse (26) mit dem abgelenkten, gebündelten Strahl (38) innerhalb eines zweiten Ausrichtungstoleranzbereichs aufweist, der größer ist als der erste Ausrichtungstoleranzbereich.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Mitte der Kugellinse (18) mit der optischen Achse (40) in der Normalenrichtung innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±10 μm ausgerichtet wird, die Mitte der Kugellinse (18) mit der optischen Achse (40) in einer lateralen Richtung in der parallelen Ebene senkrecht zu der optischen Achse (40) innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±10 μm ausgerichtet wird, und die Mitte der Kugellinse (18) mit dem Laser (16) in einer axialen Richtung entlang der optischen Achse (40) innerhalb eines Ausrichtungstoleranzbereichs von ±5 μm ausgerichtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem der zweite Ausrichtungstoleranzbereich ±30 μm beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das Bereitstellen des Substrats (20) ein Bilden eines Positionierungshohlraums (64, 70) zum Aufnehmen eines Abschnitts der Kugellinse (18), und der Seitenwände aufweist, die im Wesentlichen normal zu der Substratoberfläche sind, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Bilden des Positionierungshohlraums (64) das Bilden einer Schicht (62) aus Material auf dem Substrat (20) und das Ätzen des Positionierungshohlraums (64) in die Schicht (62) aus Material aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem das Bereitstellen des Reflektors (36) ein Anordnen des Reflektors (36) aufweist, um den gebündelten Strahl (44) in einer Ebene zu erzeugen, die die Substratoberfläche in einem Winkel von mehr als 90° schneidet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, das ferner das Bereitstellen eines zweiten Substrats (24), das die Fokussierungslinse (26) trägt, über dem ersten Substrat (20) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem das Befestigen ein Anbringen des Lasers (16) direkt an der Substratoberfläche aufweist und das Anbringen ein Anbringen der Kugellinse (18) direkt an der Substratoberfläche aufweist.