DE69311966T2

DE69311966T2 - Verfahren zur Herstellung einer integrierten optischen Baugruppe mit einer Wellenleiterlinse zur Kopplung von optischen Fasern mit integrierten Bauelementen

Info

Publication number: DE69311966T2
Application number: DE69311966T
Authority: DE
Inventors: Alfred Yi Cho; Deborah Lee Sivco; Daryoosh Vakhshoori
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2013-04-27
Also published as: KR0179988B1; EP0569181B1; DE69311966D1; KR930024332A; US5332690A; US5265177A; CA2092840A1; EP0569181A1; JPH0627355A; CA2092840C

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte optische Baugruppe, die eine optische Einrichtung mit einer asymmetrischen Lichtmode, wie z.B. einen ellipsenförmigen Lichtstrahl, und eine Linse zum Ankoppeln der optischen Einrichtung an eine Lichtleitfaser umfaßt.

Hintergrund der Erfindung

Zukünftige Netze können optische Fernverkehrskommunikationssysteme, Vernetzungstechniken, eine zweidimensionale optische Verarbeitung, optische Computer und andere Einrichtungen umfassen. Halbleiterbauelemente, wie Laser und Photodetektoren, sind bereits integraler Bestandteil von Lichtleitfaserkommunikationssystemen. In Verbindung mit Lichtleitfasern werden auch andere Halbleiterbauelemente, wie z.B. Modulatoren und optische Schalter, in ein Netz integriert.
Unglücklicherweise leidet die Nützlichkeit vieler dieser Halbleiterbauelemente unter ihrer hohen Lichtleitfasereinfügungsdämpfung, die zumindest teilweise auf eine fundamentale Fehlanpassung zwischen einer typischen Monomodenfaser mit einem relativ großen zylindrischen Kern und damit mit einer relativ großen kreisförmigen Modeneintritts- oder (-austritts)-Fläche und den Halbleiterbauelementen zurückzuführen ist, die kleinere Modeneintritts- (oder -austritts)-Flächen und Exzentrizitätsverhältnisse von mehr als 1:1 aufweisen. Dämpfungen, die beim Einkoppeln von Licht zwischen Lichtleitfasern und diesen Bauelementen auftreten, umfassen sowohl Dämpfungen, die auf die fehlende Anpassung in der Symmetrie der zwei Moden (kreisförmig bzw. elliptisch) zurückzuführen sind, als auch Dämpfungen aufgrund einer Fehlanpassung der mittleren Modenfläche.
In der Vergangenheit wurden halbkugelförmige symmetrische Mikrolinsen und hyperbolische Mikrolinsen an dem Ende einer Lichtleitfaser mittels eines gepulsten Laserstrahles ausgebildet (siehe das amerikanische Patent Nr. 4,932,989, das am 12. Juni 1990 für H.M. Presby ausgegeben wurde, und das amerikanische Patent Nr. 5,011,254, das am 30. April 1991 für C.A. Edwards und H.M. Presby ausgegeben wurde). Diese Mikrolinsen ermöglichen relativ hohe Koppelwirkungsgrade für Bauelemente, wie z.B. Laser, mit einem symmetrischen Modenausgangssignal, d.h. für Bauelemente, bei denen der Ausgangsstrahl ein kreisförmiges Profil aufweist oder ein Elliptizitätsverhältnis besitzt, das dicht bei 1:1 liegt, was bedeutet, daß die Divergenz des Ausgangsstrahls des Lasers entlang der parallel bzw. senkrecht zu der Übergangsebene des Lasers verlaufenden Achsen gleich ist oder nahezu gleich ist. Mit hyperbolisch geformten Mikrolinsen versehene Lichtleitfasern ergeben zwischen Lichtleitfasern und Bauelementen mit einem symmetrischen Modenausgangssignal einen Koppelwirkungsgrad von mehr als 90%. Aufgrund der Modenasymmetrie vieler Halbleiterbauelemente sind zum Erreichen guter Koppelwirkungsgrade jedoch asymmetrische Mikrolinsen erforderlich. Es gibt viele Laser, bei denen der aus der Laserfacette austretende elliptische Lichtstrahl ein Elliptizitätsverhältnis von etwa 1:1,5 und noch höher aufweist. Die Verwendung symmetrischer Mikrolinsen zum Einkoppeln eines elliptischen Lichtstrahls in eine Lichtleitfaser führt zu einer deutlichen Verschlechterung des Koppelwirkungsgrades. Bei Halbleiterbauelementen, wie z.B. Laserdioden, mit einer annehmbaren Modenasymmetrie, die beispielsweise zwischen 1:2,5 und 1:3,5 beträgt, lassen sich mit symmetrischen Mikrolinsen Lichtleitfaserkoppelwirkungsgrade von bis zu 50% erreichen, wobei Werte zwischen 25 und 35% eher typisch sind. Da etwa die Hälfte des Laserausgangssignals nicht genutzt wird, muß der Laser zum Einkoppeln der gleichen Leistung in eine Lichtleitfaser mit höheren Strömen betrieben werden als dies bei einer effizienteren Kopplung erforderlich wäre. Wenn ein Laser mit höheren Strömen betrieben wird, muß aber mehr Wärme abgeführt werden. Bei einem Koppelwirkungsgrad von 50% ist der Wärmeverlust etwa viermal so groß wie bei einem Koppelwirkungsgrad von 100%. Hierdurch wird die Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit des Lasers beeinflußt. Zudem stellt dies ein Haupthindernis für die Entwicklung nichtgekühlter Laserdioden dar. Bei Modulatoren und Schaltern, bei denen vom Gesichtspunkt der Systemgestaltung eine Einfügungsdämpfung von weniger als 0,5 - 1,0 dB wünschenswert ist, ist die Situation sogar noch schlechter. Eine höhere Einfügungsdämpfung von z.B. 3 dB führt zu einer Verschlechterung des Signal-zu-Rausch- Verhältnises und zu einer größeren Komplexität des Systems.
Es wurde über Versuche zum Ankoppeln von Lichtleitfasern mit nichtsymmetrischen Linsen an elliptische Strahlen berichtet, bei denen eine außen angebrachte zylindrische Linse und eine keilförmige Lichtleitfaserendfläche verwendet wurden (siehe M. Saruwatan et al. "Semiconductor Laser to Single-Mode Fiber Coupler", Applied Optics, Band 18, Nr. 11, 1979, Seiten 1847 - 1856 und V.S. Shah et al. "Efficient Power Coupling from a 980 nm, Broad Area Laser to a Single-Mode Fiber using a Wedge-Shaped Fiber Endface", J. Lightwave Technology, Band 8, Nr. 9, 1990, Seiten 1313 - 1318). Im erstgenannten Fall erfolgt die Kopplung mittels einer Linse und eines zwischen einem Laser und einer Lichtleitfaser angeordneten zylindrischen Stabes, während im letztgenannten Fall das Ende einer Lichtleitfaser mit einem vergrößert ausgebildeten zylindrischen Bereich versehen wird, der keilförmig endet und einer zylindrischen Linse angenähert ist. Im letztgenannten Fall wird ein Koppelwirkungsgrad von 47% erreicht. Für eine effektive Ankopplung eines Bauelementes mit einer elliptischen Lichtstrahlaustritts (oder -eintritts-) fläche und einer Lichtleitfaser ist somit eine Linse erforderlich, durch die der elliptische Ausgangsstrahl des Bauelementes an das kreisförmige Modenprofil einer Monomodenlichtleitfaser angepaßt wird und umgekehrt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist durch Anspruch 1 definiert. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten optischen Baugruppe, die ein optisches Bauelement mit einem asymmetrischen Modenausgangssignal und eine mit dem Bauelement integrierte Linse umfaßt, die zum Ankoppeln eines anderen optischen Bauelementes mit einer großen Modenfläche oder einem großen Modenbereich dient. Das Ankoppeln erfolgt unter Verwendung einer einen länglichen Wellenleiter nachbildenden polymeren Linse (Polymeric Elongated Waveguide Emulating Lens = PEWE-Linse). Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erste optische Bauelement ein Modulator, während das andere optische Bauelement eine Lichtleitfaser ist. Eine Facette des Modulators wird mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens (reactive ion etching = RIE-Verfahren) angeätzt, so daß auf einem gemeinsamen Substrat eine PEWE-Linse integrierbar ist. Die Linse wird unter Verwendung eines polymeren Films auf einer dielektrischen Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht hergestellt. Die Herstellung beruht auf den Aufschmelz- und Umschmelzeigenschaften von Polymerfilmen, wobei man auf einer Länge von 250 µm eine gleichmäßige adiabatische Modenkontraktion von einer kreisförmigen (Lichtleitfaser) - Mode (mit einem Durchmesser von etwa 6 µm) auf einer Halbleitermode ( 1µm) erreicht. Die PEWE-Linse ermöglicht eine Ankopplung mit einer Einfügungsdämpfung von 0,5 dB und einem Koppelwirkungsgrad von 80%, obgleich die Linse ohne Verwendung einer äußeren Linse an eine Lichtleitfaserstirnfläche angekoppelt ist. Die PEWE-Linse ermöglicht direkte Lichtleitfaserstirnflächenkopplungsgrade mit Halbleiterlasern, Photodetektoren, optischen Modulatoren, Schaltern und Verstärkern von mehr als 80%, wobei für das Ankoppeln von Halbleiterbauelementen an Monomodenfasern typischerweise eine entsprechende Größenordnung bei der Relaxation der Ausrichtungstoleranzen erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer integrierten optischen Baugruppe, wobei ein optisches Bauelement mittels einer Mikrolinse an einer Lichtleitfaser angekoppelt ist;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Mikrolinse;
Fig. 3 zeigt in einem vergrößerten Maßstab eine schematisch dargestellte Seitenansicht eines Teils einer Verbindungshalbleiterstruktur mit einer auf ihr aufgebrachten dünnen SiO&sub2;-Schicht vor der Bildung einer Mikrolinse;
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Struktur gemäß Fig. 3 mit einem diamantförmigen Photoresistbereich;
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch die Struktur gemäß Fig. 41 wobei die gesamte obere Fläche mit einer kontinuierlichen Schicht eines Photoresists bedeckt ist;
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur nach dem Erhitzen und dem Aufschmelzen des Photoresists gemäß Fig. 5;
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Belichtung eines Bereiches des Photoresists durch Licht, das unter einem gewissen Winkel auftrifft, wobei unerwünschtes Photoresist von einem Endteil der Mikrolinse benachbart zu dem Bauelement entfernt wird;
Fig. 8 zeigt die Mikrolinse nach dem Entfernen des unerwünschten Photoresistbereiches und vor der Trennung zweier benachbarter Linsen entlang der Mittellinie 27;
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Zwischenschrittes bei der Bildung einer Polyimid- Mikrolinse unter Verwendung einer aufgeschmolzenen Photoresistschicht auf der Oberseite einer Polymerschicht;
Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung eine Polyimid- Mikrolinse, die aus der in Fig. 9 dargestellten Anordnung gebildet wurde.

Ausführliche Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten optischen Baugruppe, die ein Halbleiterbauelement mit einer elliptischen Ausgangsmode umfaßt, an das eine längliche optische Linse integriert ist, um das Bauelement an einer Lichtleitfaser mit einer kreisförmigen Mode anzukoppeln und umgekehrt. Die Baugruppe und die Verfahrensschritte bei der Herstellung der Baugruppe werden nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Zur besseren Veranschaulichung sind zahlreiche Abmessungen der Zeichnungen nicht maßstabsgerecht.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer integrierten optischen Kopplungsbaugruppe 10. Die Baugruppe 10 umfaßt ein Verbindungshalbleiterbauelement 11 mit einem asymmetrischen Modenausgangsbereich und einer optischen Kopplungslinse 12, die integral mit dem Bauelement ausgebildet ist und eine optische Ausgangs- (oder Eingangs-) Mode des Bauelementes an eine Lichtleitfaser 13 ankoppelt. Die Linse 12 besteht aus einem organischen Kunststoffmaterial, das Photoresists und andere Polymere umfaßt. Zum gleichmäßigen Einkoppeln optischer Energie von dem Bauelement in die Lichtleitfaser und umgekehrt weist die Linse 12 die Form eines länglichen keilförmigen Wellenleiters auf. Diese Linse wird als längliche optische Kunststoff-Wellenleiteremulationslinse (Polymeric Elongated Waveguide Emulating Optical Linse = PEWE-Linse) bezeichnet.
Typische Halbleiterbauelemente 11 umfassen ein Halbleitersubstrat 14, eine untere Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht 15, eine aktive Schicht 16, eine obere Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht 17, eine untere Elektrode 18 und eine obere Elektrode 19. Das Bauelement kann zudem zumindest eine andere Schicht, wie z.B. eine Pufferschicht, umfassen, die zwischen dem Substrat und der unteren Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht angeordnet ist. Das Bauelement kann ferner eine stark dotierte Kontaktschicht umfassen, die zwischen der oberen Umhüllungsoder Ummantelungsschicht und der oberen Elektrode angeordnet ist, sowie eine Deckschicht, die auf der oberen Umhüllungsoder Ummantelungsschicht oder auf der Kontaktschicht angeordnet ist. Bekanntermaßen kann das Bauelement in Abhängigkeit von der jeweiligen Gestaltung auch noch andere Schichten umfassen. Zwischen der aktiven Schicht und den Umhüllungs- oder Ummantelungsschichten können auch undotierte oder schwach dotierte Übergangsschichten angeordnet sein. Bei der aktiven Schicht kann es sich um eine einzige Schicht, eine alternierende Mehrschichtstruktur oder um eine Struktur handeln, die auf beiden Seiten der aktiven Schicht abgestuft ist. Diese Schichten sind im Stand der Technik bekannt. Sie können je nach vorliegendem Bauelement variieren.
Eine Schicht 20 aus einem optisch transparenten dielektrischen Material überdeckt eine Oberfläche 21 des Bauelementes, seine lichtemittierende (oder lichtempfangende) Facette 22 und eine Oberfläche 23 der unteren Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht 15. Vor dem Abscheiden der dielektrischen Schicht kann die Oberfläche der Facette 22 mit einer lichtreflektierenden Beschichtung beschichtet werden. Für diesen Zweck sind Beschichtungen aus AgBr oder ZnS geeignet. Die Oberseite 24 der Schicht 20 ist zu dem unteren Rand der aktiven Schicht 16 ausgerichtet. Die Linse 12 ruht auf der Oberfläche 24 der Schicht 20, wobei sie an den Teil der Schicht 20 anstößt, der in Kontakt mit der Facette 22 des Bauelementes steht. Da die Unterseite der Linse 12 auf der Oberfläche 24 der Schicht 20 aufliegt, ist die Unterseite dieser Linse ebenfalls zu der Unterseite der aktiven Schicht 16 ausgerichtet. Als Anpassung der Linse an den Querschnitt des aktiven Bereiches 16 und an den Querschnitt der Lichtleitfaser weist die Linse die Form eines abgestumpften Keils auf. Das schmälere Ende des Keils ist zu der Querschnittsfläche der aktiven Zone oder des aktiven Bereiches 16 ausgerichtet, dem er in der Form angenähert ist. Der Querschnitt des breiteren Keilendes entspricht in seinem Querschnitt zumindest dem Kern der Lichtleitfaser. Die Stirnseite der Linse weist an ihrem schmalen Ende einen rechteckigen bis elliptischen Querschnitt auf, wobei das Asymmetrieverhältnis in der Nähe des Asymmetrieverhältnisses der aktiven Zone liegt. Das schmälere Ende der Linse berührt die Facette 22 des Bauelementes 11. Die gegenüberliegende Seite der Linse weist an dem breiten Ende einen quadratischen bis kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf, der zumindest dem Querschnitt des Kerns der Lichtleitfaser angenähert ist. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Linse ohne dielektrische Schicht und ohne Substrat. In Fig. 2 ist eine Lichtleitfaser 13 dargestellt, die die Linse berührt, es kann jedoch auch ein anderes optisches Bauelement mit einem relativ großen Modenbereich im Vergleich zu dem Modenbereich des optischen Bauelementes 11 verwendet werden.
Auf einem einzigen Verbindungshalbleiterwafer kann eine Anzahl von Baugruppen hergestellt werden, die anschließend, z.B. durch Spalten, in einzelne Baugruppen oder Doppelbaugruppen oder, alternativ hierzu, in eine parallele Mehrfachanordnung von einzelnen Baugruppen oder von Doppelbaugruppen aufgeteilt werden. Eine integrierte Doppelbaugruppe umfaßt zwei Halbleiterbauelemente 11, die Rückseite an Rückseite integral auf einem Substrat ausgebildet sind, so daß Licht aus einer Lichtleitfaser über eine zugehörige Linse in eine Baugruppe eintreten kann, von wo aus zu der anderen Baugruppe geleitet wird bevor es anschließend von der anderen Baugruppe über eine zugehörige Linse in eine andere Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
Die Herstellung der integrierten optischen Baugruppe beginnt mit einer Halbleiterstruktur des Bauelementes auf einem Halbleiterwafer, die dadurch gebildet wird, daß mittels eines Planarverfahrens auf dem Substrat mehrere unterschiedliche Schichten abgeschieden werden. Die Struktur umfaßt typischerweise eine aktive Schicht, die zwischen einer unteren Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht und einer oberen Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht angeordnet ist. Die Struktur kann jedoch auch andere Schichten umfassen, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In die Oberfläche der Halbleiterstruktur wird zumindest ein flacher Graben geätzt, so daß die vertikalen Facetten 22 freiliegen. Die Gräben sind zwischen den Facetten jeweils doppelt so breit wie die gewünschte Länge der Linse. Der Abstand zwischen den Gräben wird so gewählt, daß er der Länge von zwei Bauelementen angepaßt ist. Vor der Bildung der Linsen kann die geätzte Facette mit einer dünnen antireflektierenden Beschichtung, die z.B. aus AgBr oder aus ZnS besteht, beschichtet werden. Anschließend werden die Böden der Gräben, die Facette und die Oberseiten der Bauelemente mit einer dünnen Schicht aus einem optisch transparenten dielektrischen Material beschichtet. Die Tiefe der Gräben und die Dicke des dielektrischen Materials wird so gewählt, daß die Oberfläche des dielektrischen Materials in dem Graben zu dem Bodenrand der aktiven Schicht der Struktur ausgerichtet ist, nachdem das dielektrische Material auf dem Boden des Grabens abgeschieden wurde. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Unterseite der auf der dielektrischen Schicht ruhenden Linse zu dem Bodenrand der aktiven Schicht ausgerichtet ist.
Die Linse wird dadurch hergestellt, daß auf der Oberfläche 24 des dielektrischen Materials 20 in dem Graben eine Schicht aus einem organischen Kunststoffmaterial abgeschieden wird, die aus Photoresists und anderen Polymeren ausgewählt wird, optisch durchlässig ist und einen Brechungsindex aufweist, der in etwa dem Brechungsindex des Kerns der Lichtleitfaser entspricht. Das organische Kunststoffmaterial weist nach der Verarbeitung im Längsschnitt eine keilförmige abgestumpfte Struktur auf, deren Oberfläche von dem breiten Lichtleitfasereingriffsende zu dem schmalen Eingriffsende mit dem Bauelement hin abfällt. Die Dicke des organischen Materials ist im Vergleich zu der Länge der Linse gering, so daß die Oberfläche der Linse allmählich von dem breiten Ende zu dem schmalen Ende hin abfällt. Bei dem bevorzugten Ausführugsbeispiel ist die Oberseite der Linse über eine Länge von etwa 250 µm so geneigt, daß sie von etwa 6 - 7 µm an dem breiten Lichtleitfaserende auf etwa 1 µm an dem Bauelementende abfällt. Das organische Kunststoffmaterial wird nun beispielsweise mittels eines Plasmaätzverfahrens seitlich beschnitten, um das gesamte organische Kunststoffmaterial zu entfernen, das für die Übertragung der Strahlungsenergie aus dem Bauelement in die Lichtleitfaser und umgekehrt nicht benötigt wird. Die Linse weist in Draufsicht die Form eines abgestumpften Dreieckes auf, wobei die breitere Grundseite oder Basis der Lichtleitfaser gegenüberliegt&sub1; während die schmälere Grundseite oder Basis dem Bauelement gegenüberliegt Aufgrund der geringen Steigung des Keils ist die Möglichkeit für ein Austreten von Strahlung aus den ungeschützten Oberflächen gering. Um diese Möglichkeit noch weiter zu verringern, können die freiliegenden Oberflächen der Linse mit einer dünnen Schicht aus einem dielektrischen Material, wie z.B. SiO&sub2; mit n = 1,47, beschichtet werden, durch die Undichtigkeiten beseitigt werden. Der Brechungsindex des Beschichtungsmaterials ist vorzugsweise kleiner als der Brechungsindex des Linsenmaterials.
Zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung wird in der Beschreibung als Halbleiterbauelement 11 ein optischer Wellenleitermodulator verwendet, dessen elliptische Lichtmode ein Verhältnis von z.B. 1:3 aufweist. Dieses Bauelement wird mittels einer PEWE-Linse 12 an einer Lichtleitfaser angekoppelt, wobei die PEWE-Linse 12 aus einem Photoresistmaterial hergestellt wurde, dessen Brechungsindex (n 1,63) in etwa dem Brechungsindex des Kerns der Lichtleitfaser (n = 1,49 - 1,52) entspricht. Mit dieser Anordnung ist ein effektiver Lichtleitfaser- Koppelwirkungsgrad von 80% mit einer Relaxation der typischen Ausrichtungstoleranzen in entsprechender Größenordnung erreichbar.
Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab eine schematische Darstellung eines Teils eines als Halbleitersubstrat fungierenden Verbindungshalbleiterwafers, auf den man mittels eines planaren Verfahrens eine GaAs/AlGaAs- Bauelementstruktur hat aufwachsen lassen. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Bauelement 11 um einen Modulator mit einer Struktur, die ein 150 µm dickes GaAs-Substrat 14, eine 1,5 µm dicke untere Al0,4Ga0,6As- Ummantelungs- oder Umhüllungsschicht 15, und einen 50 periodigen aktiven GaAs/AlGaAs-Bereich 16 umfaßt, wobei die Perioden jeweils eine 10 nm dicke GaAs-Schicht und eine 10 nm dicke Al0,4GA0,6As-Schicht umfassen. Das Substrat umfaßt zudem eine 0,3 µm dicke Al0,4Ga0,6As-Ummantelungs- oder Umhüllungsschicht 17 und eine 50 nm dicke GaAs-Deckschicht 25. Die Lichtemission erfolgt von der Oberfläche einer Facette 22 aus, die senkrecht auf der Zeichnungsebene steht. Der Modulator ist auch mit Elektroden 18 und 19 versehen.
Der Modulator wird hergestellt, indem auf einem etwa 500 µm dicken GaAs-Wafer, der als Substrat 14 des Halbleitermodulators verwendet wird, mittels eines planaren Verfahrens nacheinander die Schichten 15-17 und 25 abgeschieden werden. Das Abscheiden kann durch Molekularstrahlepitaxie (MBE = molucular beam epitaxy), durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE = metal organic vapor phase epitaxy), die auch als metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD = metal organic chemical vapor deposition) bekannt ist, oder durch Hydridgasphasenepitaxie (VPE = hydride vapor phase epitaxy) erfolgen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Abscheidung durch MBE. Anschließend wird der beschichtete Wafer mit einer Photoresistmaske strukturiert, um parallel zu der Seite, auf der die Lichtemission erfolgt, Gräben darzustellen. Die Breite der Gräben, die etwa 500 µm beträgt, wird jeweils so ausgewählt, daß zwei jeweils etwa 250 µm lange Linsen entstehen, die mit ihren Rückseiten zueinander angeordnet sind. Der Wafer wird nun unter Verwendung eines SiCl&sub4;-Plasmas geätzt, um in den skizzierten Grabenbereichen die Schichten 16, 17 und 25 sowie ein etwa 0,5 µm dünnen Bereich der Oberfläche der unteren Umhüllungsoder Ummantelungsschicht 15 zu entfernen. Die Dicke wird dabei so gewählt, daß die angeätzte Oberfläche etwa 0,5 µm unterhalb des unteren Randes der Leitungszone oder der aktiven Zone 16 liegt. Die senkrechten Wände werden durch Plasmaätzen erzeugt, wobei die Radio- oder Hochfrequenzleistung etwa 0,16 W/cm² und der Arbeitsdruck etwa 5 mTorr beträgt. Die geätzten Seitenwände sind so glatt wie die Kantenprofile der zur Festlegung der Gräben verwendeten Photoresistmaske. Die Dicke des Wafers wird nun auf 150 µm verringert bevor auf dem gesamten Wafer, nämlich auf der Oberfläche 21 der Deckschicht 25, der Oberfläche der Facette 22 und der geätzten Oberfläche der unteren Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht 15, mittels eines plasmagestützten chemischen Dampfabscheidungsverfahren (PECVD = plasma enhanced chemical vapor deposition), das bei 300ºC durchgeführt wird, eine 0,5 µm dicke SiO&sub2;-Schicht 20 abgeschieden wird. Die SiO&sub2;-Schicht dient als untere Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht für die PEWE-Linse. Nach der vollständigen Bildung der Struktur werden die Elektroden 18 und 19 abgeschieden. Alternativ hierzu können die Elektroden auch nach der Abscheidung der SiO&sub2;-Schicht 20 abgeschieden werden. In diesem Fall wäre die Bildung einer Fensteröffnung in der Schicht 20 erforderlich, durch die die Elektrode 19 abgeschieden würde.
Durch Aufschleudern auf die SiO&sub2;-beschichtete Oberfläche des Wafers wird nun eine 7 µm dicke Schicht aus AZ 4620 - Photoresist aufgebracht bevor die länglichen diamantförmigen Photoresistbereiche 26 (Fig. 4) in den Gräben in der Mitte zwischen den geätzten Facetten strukturiert werden, wobei die langen Spitzen in Richtung der Facetten weisen. Sowohl Fig. 4 als auch die Fig. 5 - 8 zeigen etwas mehr als die Hälfte der Grabenbreite und des zugehörigen Photoresistes. Die strichpunktierte Linie 27 repräsentiert den Mittelpunkt des Grabens und des ("diamantförmigen") Photoresistbereiches 26. Der zentrale Bereich des "Diamants" 26 ist zwischen 10 und 50 µm breit und etwa 250 µm lang, was etwa der Hälfte der Grabenbreite zwischen den Bauelementen entspricht. Den Baugruppen 10 ist somit jeweils die Hälfte des Diamanten (etwa 125 µm) zuzuordnen. Es können genauso gut auch andere Abmessungen des Diamanten verwendet werden solange der Diamant breiter ist als die Breite der anzupassenden Fläche, d.h. der Durchmesser des Lichtleitfaserkerns. Der Diamant wird nun für 15 Minuten bei 120ºC thermisch nachbehandelt damit der größte Teil des Lösungsmittels verdampft. Anschließend wird bei Rotationsgeschwindigkeiten zwischen 3000 und 5000 Umdrehungen pro Minute (rpm) eine 1 µm dicke Schicht 28 des Photoresists AZ 4110 auf den Wafer aufgeschleudert, wobei vorzugsweise eine Rotationsgeschwindigkeit von 4000 rpm verwendet wird. Die zwei Photoresists weisen ähnliche Lösungsgrundbestandteile auf; durch das Aufschleudern des Photoresists AZ 4110 bei höheren Umdrehungszahlen wird das Diamantmuster jedoch teilweise verschmiert. Ein Aufschleudern bei geringeren Umdrehungszahlen kann zu einer geringeren Dicke des Photoresists führen. Alternativ hierzu kann eine 1 µm dicke Photoresistschicht auf die gesamte Oberfläche einschließlich des Diamantmusters aufgesprüht werden. Bei der Herstellung von optischen Baugruppen mit anderen Bauelementen kann die Dicke der aktiven Schicht und damit auch die Höhe des Modenausgangsbereiches des Bauelementes mehr oder weniger etwa 1 µm betragen. In diesen Fällen sollten die Umdrehungszahlen so eingestellt werden, daß die Dicke des Photoresists an die Dicke der aktiven Schicht angepaßt ist.
Die bei dem Ausführungsbeispiel verwendeten Photoresists sind von der Electronic Products Division der Hoechst Celanese Corporation kommerziell erhältlich. Das Photoresist AZ 4620 umfaßt 2-Ethoxyethylacetat (111-15-9) , xylol (1330- 20-7), n-Butylacetat (123-86-41) , Cresol Novolak Harz (9065- 82-1) und Diazonaphtoguinonsulfonesther (5610-94-6). Das Photoresist AZ 4110 weist mit Ausnahme des Cresol Novolak Harzes die gleiche Zusammensetzung auf, das als (117520-84- 0) zu identifizieren ist. Diese Photoresists können bei Temperaturen von etwa 120 - 150ºC aufgeschmolzen und umgeschmolzen werden, wobei der Brechungsindex in etwa dem Brechungsindex des Lichtleitfaserkerns entspricht. Dieser Temperaturbereich liegt unterhalb der Temperatur von etwa 190ºC, bei der das Bauelement beschädigt würde. Es können auch andere Photoresists mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden. So können die oben genannten Photoresists beispielsweise durch kommerziell erhältliche Photoresists, wie z.B. Shipley 1370 und Shipley 1195 ersetzt werden, die beide Propylenglycol-monoethylätheracetat (100-65-6) umfassen.
Der Wafer wird nun für eine Stunde bei 120 - 150ºC thermisch behandelt, damit die Diamantenform aufschmelzen und umschmelzen kann, wobei eine umverteilte Photoresistform 28 entsteht, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Das Aufschmelzverfahren führt zu einer gleichmäßigen adiabatischen Veränderung der Dicke des Photoresists. In der Nähe des Mittelpunktes der diamantförmigen Photoresistbereiche 26 behält das Diamantmuster jeweils nahezu seine ursprüngliche Dicke von etwa 6 - 7 µm (so wie dies in Fig. 5 dargestellt ist), während in Richtung auf die Spitze des umgeschmolzenen Diamanten eine allmähliche Abnahme auf 1 µm zu beobachten ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine stufenförmige Abdeckung einer die Oberfläche des Bauelementes mit der geätzten Facette verbindenden Kante durch die 1 µm dicke Photoresistschicht. In diesem Bereich ist die abgeschiedene Photoresistschicht auf nahezu den doppelten Wert der Dicke von 1 µm verbreitert. Diese Art der Verbindung zwischen dem Kunststoffleiter und der Halbleiterfacette ist unerwünscht. Die optischen Felder stimmen mit den adiabatischen Wellenleiterveränderungen so lange überein, so lange die Steigung des Wellenleiterrandes klein ist im Vergleich zu der Divergenz des Strahls an diesen Punkten. Die Ausdehnung der Photoresistschicht in der Nähe der Facette auf nahezu den doppelten Wert der gewünschten Dicke bedeutet, daß sich das von der aktiven Zone ausgestrahlte elektrische Feld so weit ausdehnt wie es die Ränder des Photoresists gestatten. Aus den Fig. 5 und 6 wird ersichtlich, daß in Folge der Fehlanpassung der Öffnung des Photoresists an die aktive Wellenleiterzone 16 des Halbleiters an ihrem Schnittpunkt (d.h. daß die Dicke des Halbleiterleiters 1 µm beträgt, während das Photoresist an diesem Punkt etwa 2 µm dick ist) etwa 50% der Leistung aus dem aktiven Bereich weggestreut werden können. Zur Lösung diese Problems wird ein Winkelbelichtungsverfahren verwendet. Die Ausgangsstrahlung eines Argonionenlasers wird so gefiltert, daß die Strahlungsleistung bei einer Wellenlänge von 450 nm 3 mW/cm² beträgt. Die Probe wird dem Lichtstrahl für 12 Minuten unter einer Winkeltangente von 5 Grad ausgesetzt. Aufgrund der Abhängigkeit der Fresnel-Reflektion und des Lichtstroms oder Stahlungsflusses vom Einfallswinkel wird das Photoresist in der Nähe der geätzten Facetten zuerst belichtet, so wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Da das optische Feld mit den Grenzen des Photoresists übereinstimmt, ist es wichtig, daß die Belichtungs- und Entwicklungszeit so geeicht wird, daß gegenüberliegend zu der aktiven Zone 16 an der geätzten Facette eine 1 µm dicke Photoresistschicht beibehalten wird. Nach dem Entwickeln erhält man das in Fig. 8 dargestellte Photoresistprofil.
Das Bauelement und die Linse werden nun mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens (RIE-Verfahren) seitlich auf ihre endgültige Gestalt gebracht. Anschließend wird der Wafer bei einer Temperatur von 120 - 150ºC thermisch behandelt, um die Ränder des Photoresists weiter zu glätten. Der Wafer wird nun in der Mitte der diamantförmigen Struktur entlang der Mittellinie 27 und an einer Stelle der Bauelement- (Modulator) Struktur gespalten, so daß die in Fig. 1 dargestellte integrierte optische Baugruppe 10 entsteht.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Kunststoffphotoresist auf die oben beschriebene Art und Weise für die Linse verwendet. Der Brechungsindex des Resists beträgt n = 1,67. Dieser Wert entspricht in etwa dem Brechungsindex der Lichtleitfaser (nf = 1,49 - 1,52). Das Photoresist wird verwendet, um das Handling, die Bearbeitung und die Herstellung zu erleichtern. Anstatt des Resists könnten auch andere organische Kunststoffmaterialien zur Herstellung oder Präparierung der Wellenleiterlinse verwendet werden. Ein dafür geeignetes Material ist Polyimid, das einen Brechungsindex von n = 1,6 aufweist. Die Verwendung von Polyimid erfordert ein etwas anderes Verarbeitungsverfahren, das nachstehend anhand der Fig. 9 und 10 beschrieben wird.
Ausgehend von einem Wafer, der soweit bearbeitet wurde, daß er die dielektrische Schicht 20 (Fig. 3) umfaßt, wird auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 20 eine 6 - 7 µm dicke Schicht aus Polyimid 29 abgeschieden (Fig. 9). Nun wird auf der Oberseite der Polyimidschicht 29 eine Photoresistschicht abgeschieden, strukturiert und verarbeitet, so wie dies anhand der Fig. 4 - 6 beschrieben wurde, so daß das Photoresistprofil 30 (Fig. 9) entsteht. Dieses Photoresistprofil entspricht dem in Fig. 6 dargestellten Profil mit Ausnahme der dicker ausgebildeten Abdeckung der Verbindungsstelle zwischen der Facette 22 und der Oberfläche 21 des Bauelementes 11. Anschließend wird das Photoresist und die darunterliegende Polyimidschicht mittels eines Trockenätzverfahrens in einem O&sub2;-Plasma behandelt (O&sub2; Durchsatz = 3 sccm (3 Standardkubikzentimeter), RF-Leistung = 100 W, Gleichstromvorspannung = 430 V und Ätzrate etwa 70 nm/min). Die Ätzraten des Photoresists und des Polyimids sind im wesentlichen gleich, so daß das Photoresistprofil 30 auf das Polyimid übertragen wird und das in Fig. 10 dargestellte Linsenprofil 31 entsteht.
Bei Verwendung einer PEWE-Linse, die unter Verwendung eines organischen Kunststoffmaterials, wie z.B. ein Photoresist, hergestellt wurde, lassen sich zwischen einer Lichtleitfaser und einem Halbleiterwellenleiter mit einem asymmetrischen Modenausgangsbereich Koppelwirkungsgrade von 80% erreichen. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Halbleiterwellenleiter um eine Modulatoranordnung. Vergleichbare Koppelwirkungsgrade lassen sich auch mit Laserdioden, Photodetektoren, optischen Halbleiterschaltern oder mit anderen Strukturen erreichen, die asymmetrische Modenausgangs- (oder eingangs-) Bereiche aufweisen. Zur Verbesserung der thermischen Stabilität können bei dem Herstellungsverfahren für die PEWE-Linsen Polyimidf ilme verwendet werden.
Die Verbesserung der Lichtleitfaserkopplung durch die PEWE- Linse wurde unter Verwendung eines ebenen Wellenleiters gemessen, wobei die auftreffende Leistung eines Nd:YAG- Lasers verwendet wurde. Aus der Beobachtung des Nahfeldmusters an der Ausgangsfacette des Modulators ergibt sich, daß das gesamte Licht in die Grundmode des Halbleiterwellenleiters eingekoppelt wird. Ein indirektes Maß für die Verbesserung des Koppelwirkungsgrades ergibt sich aus dem zweiten harmonischen Signal, das von der Endfacette des Wellenleitermodulators ausgestrahlt wird. Bei gleicher einfallender Leistung des Nd:YAG-Lasers ist das von der Endfacette des Modulators ausgestrahlte grüne Licht bei den Bauelementen mit PEWE-Linsen sehr viel heller als bei Wellenleitern, bei denen diese Linsen nicht verwendet werden. Zusätzlich zu den hohen Koppelwirkungsgraden ist es auch möglich, Licht einfach in den Wellenleiter einzukoppeln und dies für eine große Zeitspanne beizubehalten. Dies beruht auf der großen PEWE-Eingangsöf fnung, die im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie der Kern der Monomodenfaser aufweist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer integriert optischen Baugruppe mit einer optischen Sender- oder Empfängereinrichtung (11) mit einem asymmetrischen Modenbereich und einer sich verjüngenden Wellenleiterlinse (12) zum Koppeln der Einrichtung an eine Faser,

wobei das Verfahren umfaßt:

Bereitstellen eines Substrats (14) mit einem Verbindungshalbleiterbereich an diesem mit einer aktiven Schicht (16), einer Bodenummantelungsschicht (15) und einer oberen Ummantelungsschicht (17),

Ätzen eines Grabens in die Oberfläche der Anordnung, um so eine vertikale Fläche (22) der Halbleiteranordnung an jeder Seite des Grabens freizulegen, wobei das Ätzen einen Teil der Dicke der unteren Ummantelungsschicht (15) und von allen anderen Schichten der Anordnung über der unteren Ummantelungsschicht entfernt, während diejenigen Anteile der Halbleiteranordnung, die als optische Einrichtung verwendet werden sollen, zurückbehalten werden,

Ausbilden in der Mitte des Grabens und mittig zwischen den zwei Flächen (22) eines diamantförmigen erhobenen Bereichs (26) aus polymerem Material, wobei dessen Länge die Hälfte der Breite des Grabens zwischen den Flächen (22) beträgt, wobei die Spitzen des diamantförmigen Bereichs (26) jeweils auf die Flächen (22) zuweisen, wobei die Breite des diamantförmigen Bereichs (26) wenigstens gleich dem Durchmesser des Kerns einer Faser ist, um optisch an die Einrichtung gekoppelt zu werden, Beschichten der gesamten Anordnung einschließlich des Grabens und des diamantförmigen Bereichs (26) mit einer dünnen Schicht (28) von polymerem Material mit einer Dicke gleich der Höhe der aktiven Schicht oberhalb des Bodens des Grabens,

Wandeln des Profils des kombinierten diamantförmigen Bereichs und der dünnen Schicht zu einem Profil mit leichter Neigung zwischen dem Mittenabschnitt und den flächen-nahen Bereichen umfassend das Erhitzen des kombinierten diamantförmigen Bereichs und der dünnen Schicht, um 50 das Schmelzen und Umformen des polymeren Materials, welches den diamantförmigen Bereich und die dünne Schicht bildet, in das Profil zu bewirken, und Entfernen einer überschüssigen Dicke des polymeren Materials benachbart zu jeder der Flächen, um so dessen Dicke zu der entsprechenden Höhe der aktiven Schicht über dem Boden des Grabens zu vermindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das polymere Material ein polymerer Photoresist ist, der bei Temperaturen von unterhalb ungefähr 190ºC schmelz- und umformbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Erhitzen bei Temperaturen innerhalb des Bereichs von 120º C bis 150º C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das polymere Material Polyimid umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend:

nach dem Ätzen des Grabens, jedoch vor dem Formen des diamant förmigen Bereichs,

das Abscheiden von Polyimid (29) in einer Dicke, die derjenigen des breiten Querschnitts der Wellenleiterlinse entspricht,

Bilden des diamantförmigen Bereichs aus Photoresist oben auf dem Polyimid,

Bilden der dünnen Schicht aus Photoresist,

und nach dem Erhitzen des diamantförmigen Bereichs und der dünnen Schicht Ätzen der Photoresist- und Polyimidbaugruppe in einem Plasma, um so das Profil auf das Polyimid (31) zu übertragen.