DE10150401A1

DE10150401A1 - Ausrichten eines optischen Bauelementsystems mit einem optischen Linsensystem

Info

Publication number: DE10150401A1
Application number: DE10150401A
Authority: DE
Inventors: David B Miller; Hing-Wah Chan; Tanya J Snyder
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2002-05-23
Also published as: GB2371923B; JP2002214500A; GB0122719D0; US6759687B1; GB2371923A

Abstract

Ein Schema (Systeme und Verfahren) zum passiven Ausrichten von einem oder mehreren optischen Bauelementen mit einer entsprechenden Anzahl von optischen Linsen auf eine genaue und effiziente Weise ist beschrieben. Durch diesen Lösungsansatz verhindert die Erfindung die oft arbeitsintensiven und teueren Schritte, die von herkömmlichen aktiven Ausrichtungstechniken erfordert werden, die versuchen, die optischen Bauelemente mit den optischen Fasern auszurichten. Bei einem Aspekt umfaßt ein optoelektronisches Bauelement ein optisches Bauelementsystem, ein optisches Linsensystem und eine Mehrzahl von Lötmittelhöckern, die dazwischen angeordnet sind. Das optische Bauelementsystem umfaßt ein optisches Bauelementsubstrat, das eines oder mehrere optische Bauelemente trägt, und eine lötbare Metallisierungsstruktur mit einer räumlichen Anordnung bezüglich des einen oder der mehreren optischen Bauelemente. Das optische Linsensystem umfaßt eine oder mehrere optische Linsen und eine Bauelementverbindungsoberfläche, die eine lötbare Metallisierungsstruktur mit einer räumlichen Anordnung bezüglich der einen oder den mehreren optischen Linsen umfaßt. Die Lötmittelhöcker sind zwischen den Metallisierungsstrukturen des optischen Bauelementsystems und des optischen Linsensystems angeordnet. Die Mehrzahl von Lötmittelhöckern verbinden das optische Bauelementsubstrat mit der Bauelementverbindungsoberfläche, wobei das eine oder die mehreren optischen Bauelemente mit der einen oder den mehreren ...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Ausrichten eines optischen Bauelementsystems mit einem op tischen Linsensystem.

Viele hochentwickelte Kommunikationssysteme übertragen In formationen durch eine Mehrzahl von parallelen optischen Kommunikationskanälen. Die optischen Kommunikationskanäle können durch eine Lichtwellenleiter-Bandverbindung (oder ein Lichtwellenleiterkabel) definiert sein, das aus einem Bündel aus Glas- oder Plastikfasern gebildet ist, von denen jede in der Lage ist, Daten unabhängig von den anderen Fa sern zu übertragen. Gegenüber Metalldrahtverbindungen wei sen optische Fasern eine viel größere Bandbreite auf, sie sind weniger anfällig für Störungen und sie sind viel dün ner und leichter. Aufgrund dieser vorteilhaften physikali schen und Datenübertragungseigenschaften wurden Bemühungen unternommen, Lichtwellenleiter in Computersystementwicklun gen zu integrieren. Bei einem lokalen Netz können Lichtwel lenleiter beispielsweise verwendet werden, um eine Mehrzahl von lokalen Computern mit einer zentralen Ausrüstung, wie z. B. Servern und Druckern, zu verbinden. Bei dieser Anord nung weist jeder Computer einen optischen Empfänger zum Senden und Empfangen von optischen Informationen auf. Der optische Empfänger kann auf einer gedruckten Schaltungspla tine befestigt sein, die eine oder mehrere integrierte Schaltungen trägt. Typischerweise umfaßt jeder Computer mehrere gedruckte Schaltungsplatinen, die in die Steckstel len einer gemeinsamen Rückwandplatine eingesteckt sind. Die Rückwandplatine kann aktiv sein (d. h. dieselbe umfaßt eine Logikschaltungsanordnung zum Durchführen von Berechnungs funktionen), oder dieselbe kann passiv sein (d. h. dieselbe enthält keine Logikschaltungsanordnung). Ein Lichtwellen leiterkabel eines externen Netzes kann durch einen Licht wellenleiterverbinder, der mit der Rückwandplatine gekop pelt ist, mit dem optischen Empfänger verbunden sein.

Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL) sind ein wichtiges Element der Lichtwellenleitverbindungen bei mo derner Datenkommunikation geworden. Beispielsweise haben VCSEL bei allen lokalen Netzanwendungen für Datenraten von 1 Gigabit pro Sekunde (Gb/s) oder höher lichtemittierende Dioden (LED) ersetzt. Die rasante Erhöhung des Internetver kehrs erzeugt Kommunikationsengpässe bei den Rückwandplati nen von Computern und bei den Schaltern und Routern, die den Datenfluß durch die Computernetzwerke leiten. Da diese Anwendungen einen relativ kurzen Abstand überbrücken (z. B. etwa 1-100 Meter) ist es ökonomischer, statt serielle Ver bindungen über eine einzige Faser mit höherer Geschwindig keit parallele Verbindungen über Mehrfachfasern zu verwen den. Von besonderem Interesse ist eine Anwendung mit zwölf Kanälen, die bei 2,5 Gb/s arbeiten. Für Kurzstreckenanwendungen, bei denen die Kosten für Zwölf- Faser-Bandverbindungen relativ niedrig sind, ist diese Parallellösung weniger aufwendig als ein serieller Kanal, der mit der kombinierten Datenrate von 30 Gb/s arbeitet. Bandverbindungen mit vier Fasern, acht Fasern und sechzehn Fasern, die mit Datenraten von 1-10 Gb/s pro Kanal und mit Aggregatdurchsätzen, die 100 Gb/s überschreiten, arbeiten, werden voraussichtlich innerhalb der nächsten zwei Jahre entwickelt.

Von der Entwicklung her emittiert ein VCSEL Laserlicht von der oberen Oberfläche eines lichtemittierenden Hohlraums mit einer relativ kleinen Strahldivergenz (d. h. in der Größenordnung von 10°). Diese Merkmale ermöglichen es, daß VCSEL in eindimensionalen oder zweidimensionalen Arrays an geordnet werden, parallel getestet werden und leicht auf ein optisches Empfängermodul eingebaut werden und mit einer Lichtwellenleiter-Bandverbindung gekoppelt werden können. Es wurden Bemühungen unternommen, das Problem des Ausrich tens der optischen Tore eines optischen Empfängermoduls mit den Fasern einer Lichtwellenleiter-Bandverbindung zu ver einfachen. Bei einem Einfaser-Ausrichtungs-Lösungsansatz ist das optoelektronische Bauelement mit einer Empfänger packung chip- und drahtverbunden, so daß dasselbe zu seiner normalen Betriebsbedingung vorgespannt werden kann. Das Eingangsende der Faser wird vor der aktiven Region des op toelektronischen Bauelements mechanisch bearbeitet, bis ei ne optische Kopplung zwischen der Faser und der optoelek tronischen Bauelement erreicht ist. Nachdem die optimale Kopplung erreicht wurde, wird das optoelektronische Bauele ment an seinem Platz befestigt. Dieser Prozeß erfordert entweder menschliches Eingreifen oder eine aufwendige Aus rüstung, die die Faser automatisch in die optimale Position einfügt. Dieser herkömmliche Ausrichtungsprozeß wird we sentlich komplizierter, wenn er auf die Kopplung von Arrays von optischen Fasern mit Arrays von optoelektronischen Bau elementen angewendet wird. Zusätzliche Schwierigkeiten er geben sich, wenn ein optisches Linsensystem zwischen den optoelektronischen Bauelementen und den optischen Fasern ausgerichtet werden muß.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoe lektronisches Bauelement mit verbesserten Charakteristika und ein Verfahren zum verbesserten Ausrichten derselben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 und Anspruch 13 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.

Die Erfindung weist ein Schema (Systeme und Verfahren) zum passiven Ausrichten von einem oder mehreren optischen Bau elementen mit einer entsprechenden Anzahl von optischen Linsen auf eine genaue und effiziente Weise auf. Durch die sen Lösungsansatz vermeidet die Erfindung die oft arbeits intensiven und teueren Schritte, die bei herkömmlichen ak tive Ausrichtungstechniken erforderlich sind, die versu chen, die optischen Bauelemente mit den optischen Fasern auszurichten.

Bei einem Aspekt weist die Erfindung folgende Merkmale auf: ein optoelektronisches Bauelement, das ein optisches Bau elementsystem umfaßt, ein optisches Linsensystem und eine Mehrzahl von Lötmittelhöckern, die dazwischen angeordnet sind. Das optische Bauelementsystem umfaßt ein optisches Bauelementsubstrat, das eines oder mehrere optische Bauele mente trägt, und eine lötbare Metallisierungsstruktur mit einer räumlichen Anordnung bezüglich des einen oder der mehreren optischen Bauelemente. Das optische Linsensystem umfaßt eine oder mehrere optische Linsen und eine Bauele mentverbindungsoberfläche, die eine lötbare Metallisie rungsstruktur mit einer räumlichen Anordnung bezüglich der einen oder den mehreren optischen Linsen trägt. Die Lötmit telhöcker sind zwischen dem Metallisierungsstrukturen des optischen Bauelementsystems und dem optischen Linsensystem angeordnet. Die Mehrzahl der Lötmittelhöcker verbinden das optische Bauelementsubstrat mit der Bauelementverbinden dungsoberfläche mit dem einen oder den mehreren optischen Bauelementen, die mit der einen oder den mehreren optischen Linsen verbunden sind.

Ausführungsbeispiele gemäß diesem Aspekt der Erfindung kön nen eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.

Die eine oder mehrere optischen Linsen können in der Bau elementverbindungsoberfläche enthalten sein. Alternativ können die eine oder mehrere optischen Linsen unterhalb der Bauelementverbindungsoberfläche angeordnet sein.

Bei einigen Ausführungsbeispielen umfaßt das optische Lin sensystem ein optisches Substrat, das die eine oder mehrere Linsen umfaßt und die Bauelementverbindungsoberfläche defi niert eine Fläche eines Abstandhaltersubstrats. Das opti sche Substrat kann durch einen Waferbondingprozeß oder durch einen Flip-Chip-Lötverbindungsprozeß mit dem Abstand haltersubstrat verbunden werden. Die Dicke des Bauelement verbindungssubstrats wird vorzugsweise auf der Basis eines repräsentativen fokalen Abstands zwischen dem einen oder den mehreren optischen Bauelementen und der einen oder den mehreren optischen Linsen ausgewählt. Das Abstandhaltersub strat kann transparent sein oder es kann eine oder mehrere Öffnungen umfassen, durch die Licht zwischen dem einen oder den mehreren optischen Bauelementen und der einen oder den mehreren optischen Linsen übertragen wird. Eine integrierte Schaltung kann auf dem Abstandhaltersubstrat gebildet sein und kann konfiguriert sein, um das eine oder die mehreren optischen Bauelemente zu treiben. Alternativ kann die inte grierte Schaltung durch einen Flip-Chip- Lötverbindungsprozeß mit dem Abstandhaltersubstrat verbun den werden.

Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine charakteristi sche Dimension der Mehrzahl von Lötmittelhöckern auf der Basis eines repräsentativen fokalen Abstands zwischen einem oder mehreren optischen Bauelementen und der einen oder den mehreren optischen Linsen ausgewählt werden.

Das eine oder die mehreren optischen Bauelemente können ei nen Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser oder einen Detektor oder beides umfassen.

Bei einem weiteren Aspekt weist die Erfindung ein optoelek tronisches Bauelement auf, das ein optisches Linsensystem und ein optisches Bauelementsystem umfaßt. Das optische Linsensystem umfaßt ein Linsensubstrat, das eine oder meh rere optische Linsen trägt, und ein Abstandhaltersubstrat, das eine oder mehrere Öffnungen durch dasselbe definiert. Das optische Bauelementsystem umfaßt ein Bauelementsub strat, das eines oder mehrere optische Bauelemente trägt. Das Linsensubstrat ist mit dem Abstandhaltersubstrat ver bunden, und das Abstandhaltersubstrat ist mit dem Bauele mentsubstrat mit der einen oder den mehreren optischen Lin sen verbunden, wobei die eine oder die mehreren optischen Öffnungen und das eine oder die mehreren optischen Bauele mente in übereinstimmender Ausrichtung zusammengehalten sind.

Bei einem weiteren Aspekt weist die Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten eines optischen Bauelementsystems und eines optischen Linsensystems auf. Gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein optisches Bauelementsystem, das ein oder mehrere optische Bauelemente und eine lötbare Metallisie rungsstruktur aufweist, benachbart zu einem optischen Lin sensystem positioniert, das eine oder mehrere optische Lin sen und eine lötbare Metallisierungsstruktur mit einer Mehrzahl von Lötmittelhöckern aufweist, die darauf befe stigt sind. Die Mehrzahl von Lötmittelhöckern werden auf eine Temperatur an oder über dem Schmelzpunkt der Lötmit telhöcker erwärmt. Beim Abkühlen verbindet die Mehrzahl der Lötmittelhöcker das optische Bauelementsystem mit dem opti schen Linsensystem, wobei das eine oder die mehreren opti schen Bauelemente mit der einen oder den mehreren optischen Linsen ausgerichtet sind.

Zu den Vorteilen der Erfindung gehören die folgenden.

Dadurch, daß es dem optischen Bauelementsystem ermöglicht wird, passiv mit dem optischen Linsensystem ausgerichtet zu sein, reduziert die Erfindung die Herstellungskosten und die Herstellungsdauer. Die Erfindung reduziert außerdem die Empfindlichkeit der Leistungsfähigkeit des optischen Bau elements gegenüber der Dicke des optischen Bauelementsub strats durch Verbinden der Bauelementseite des optischen Bauelementsubstrats mit der Bauelementverbindungsoberfläche des optischen Linsensystems. Außerdem ermöglicht es die Er findung, daß elektrische Verbindungen durch die Lötmittel höckerverbindungen hergestellt werden, und vermeidet da durch den Bedarf nach elektrischen Bonddrahtverbindungen. Dieses Merkmal reduziert die Induktivität und die elektro magnetischen Störungsemissionen, die im allgemeinen mit solchen drahtgebundenen Verbindungen verbunden sind.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung, einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche offensichtlich werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Vertikalre sonatoroberflächenemissionslasers.

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das mit einem optischen Lin sensystem ausgerichtet und verbunden ist.

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das mit einem optischen Lin sensystem ausgerichtet und verbunden ist, das ein optisches Bauelement aufweist, das unterhalb ei ner Bauelementverbindungsoberfläche eingelassen ist.

Fig. 4A eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das mit einem optischen Lin sensystem ausgerichtet und verbunden ist, das aus einem Abstandhaltersubstrat gebildet ist, das durch einen Waferbondingprozeß mit einem opti schen Substrat verbunden ist.

Fig. 4B eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das mit einem optischen Lin sensystem ausgerichtet und verbunden ist, das aus einem Abstandhaltersubstrat gebildet ist, das durch einen Lötmittelhöckeraufschmelzprozeß mit einem optischen Substrat verbunden ist.

Fig. 5A eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das ein Array von optischen Bauelementen umfaßt, die mit einem optischen Lin sensystem ausgerichtet und verbunden sind, das aus einem optischen Substrat und einem Abstand haltersubstrat mit einer einzelnen Öffnung gebil det ist.

Fig. 5B eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das ein Array von optischen Bauelementen umfaßt, die mit einem optischen Lin sensystem ausgerichtet und verbunden sind, das aus einem optischen Substrat und einem Abstand haltersubstrat mit einer Mehrzahl von Öffnungen gebildet ist.

Fig. 6A eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das mit einem Abstandhalter substrat mit einer einstückigen integrierten Schaltung verbunden ist.

Fig. 6B eine schematische Seitenansicht eines optischen Bauelementsystems, das mit einem Abstandhalter substrat verbunden ist, an das eine integrierte Schaltung durch einen Flip-Chip- Lötmittelverbindungsprozeß verbunden ist.

Fig. 7A eine schematische Draufsicht eines optischen Bau elementarrays und eines Paares von versetzten Ar rays von lötbaren Verbindungsanschlußflächen, die entlang gegenüberliegenden Seiten des optischen Bauelementarrays verlaufen.

Fig. 7B eine schematische Draufsicht eines Abstandssub strats, das ein regelmäßiges rechteckiges Array von lötbaren Verbindungstaktanschlußflächen auf gegenüberliegenden Seiten einer Öffnung trägt.

Bei der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Ferner sollen die Zeichnungen Hauptmerkmale von beispielhaften Ausfüh rungsbeispielen auf schematische Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen nicht jedes Merkmal von tatsächlichen Ausführungsbeispielen oder relative Abmessungen der darge stellten Elemente zeigen, und sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet.

Mit Bezugnahme auf Fig. 1 kann jedes der folgenden Ausfüh rungsbeispiele eines oder mehrere optische Bauelemente um fassen, einschließlich eines Vertikalresonatoroberflächene missionslasers (VCSEL) 20 und einer Halbleiterdiode. Der VCSEL 20 kann aus wechselnden Schichten aus Halbleitermate rial auf einem Halbleitersubstrat gebildet sein. Jeder VCSEL umfaßt einen unteren Spiegel 22, einen oberen Spiegel 24 und eine Verstärkungsregion 26. Jeder VCSEL kann außer dem eine oder mehrere Verbindungsanschlußflächen (nicht ge zeigt) umfassen, mit der eine elektrische Treiberschaltung einer Adapterkarte verbunden sein kann. Ansprechend auf das Anlegen eines elektrischen Stroms durch die eine oder die mehreren Verbindungsanschlußflächen kann der VCSEL 20 einen Laserstrahl 28 mit einem im wesentlichen runden Querschnitt und einer gut gesteuerten Wellenlänge erzeugen, die durch den vertikalen Abstand definiert ist, der den unteren Spie gel 22 und den oberen Spiegel 24 trennt. Die Oberflächenab messung der optischen Grenzfläche 30 des VCSEL- Laserhohlraums ist typischerweise in der Größenordnung von 10 µm.

Wie es nachfolgend detailliert erklärt wird, können die op tischen Bauelemente (z. B. VCSEL) eines optoelektronischen Bauelements 10 durch Verbinden von Metallisierungsstruktu ren des optischen Bauelementsystems und des optischen Lin sensystems unter Verwendung von Lötmittelhöckeraufschmelz technologie passiv mit einer optischen Linsensystem ausge richtet werden. Dieses Merkmal reduziert die Herstellungs kosten und die Herstellungsdauer. Die Empfindlichkeit der Leistungsfähigkeit des optischen Bauelements gegenüber der Dicke des optischen Bauelementsubstrats kann ebenfalls durch Verbinden der Bauelementseite des optischen Bauele mentsubstrats mit der Bauelementverbindungsoberfläche des optischen Linsensystems reduziert werden. Zusätzlich können durch die Lötmittelhöckerverbindungen elektrische Verbin dungen hergestellt werden, wodurch der Bedarf nach drahtge bundenen elektrischen Verbindungen vermieden wird. Dieses Merkmal reduziert die Induktivität und elektromagnetische Störungsemissionen, die im allgemeinen mit solchen Draht verbindungsverbindungen verbunden sind.

Mit Bezugnahme auf Fig. 2 umfaßt das optoelektronische Bau element 10 bei einem Ausführungsbeispiel ein optisches Bau elementsystem 40 mit einem optischen Bauelementsubstrat 42, das ein optisches Bauelement 44 (z. B. einen Lichtdetektor, wie z. B. eine Pin-Diode, oder einen Lichtsender, wie z. B. einen VCSEL) trägt, und eine lötbare Metallisierungsstruk tur 46, 48 mit einer räumlichen Anordnung bezüglich des op tischen Bauelements 44. Das optoelektronische Bauelement 10 umfaßt außerdem ein optisches Linsensystem 50 mit einem op tischen Element 52 und einer Bauelementverbindungsoberflä che 54, die eine lötbare Metallisierungsstruktur 56, 58 mit einer räumlichen Anordnung bezüglich des optischen Elements 52 umfaßt. Die Metallisierungsstrukturen 46, 48 und 56, 58 können identisch übereinstimmen oder dieselben können un terschiedlich sein, in beiden Fällen sind jedoch die Metal lisierungsstrukturen 46, 48 und 56, 58 so angeordnet, daß, wenn dieselben lötmittelverbunden werden, das optische Bau element 44 und das optische Element 52 ausgerichtet sind. Das optische Element 52 kann eine optische Linse 60 auf Bauelementseite und eine optische Linse 62 auf Faserseite umfassen. Die optischen Linsen 60, 62 können beugende oder brechende optische Linsen sein, die auf einem optischen Substrat 64 (z. B. einem Glassubstrat) gebildet sind. Das optoelektronische Bauelement 10 umfaßt ferner eine Mehrzahl von Lötmittelhöckern 66, die zwischen den Metallisierungs strukturen 46, 48 und 56, 58 angeordnet sind. Während der Herstellung sind die Lötmittelhöcker 66 ursprünglich auf den Metallisierungsstrukturen 56, 58 des optischen Linsen systems 50 angeordnet. Das optische Bauelementsubstrat 42 ist mit dem optischen Substrat 64 ausgerichtet, in einer Genauigkeit, die für die Lötmittelhöcker 66 erforderlich ist, um mit dem Metallisierungsstrukturen 46, 48 des opti schen Bauelementsystems 40 in Kontakt zu kommen. Die Anord nung wird dann auf eine Temperatur an oder über dem Schmelzpunkt der Lötmittelhöcker 66 erhöht. Die Lötmittel höcker 66 benetzen die lötbare Metallisierungsstruktur 46, 48, und Oberflächenspannungskräfte ziehen das optische Sub strat 64 und das optische Bauelementsubstrat 42 in eine sehr genaue Ausrichtung (z. B. auf innerhalb ±4 µm). Die Anordnung wird abgekühlt, um eine fest verbundene und genau ausgerichtete Struktur zu bilden. Die verbundene Struktur kann in einen Kopfblock eines Empfängermoduls eingebaut werden und unter Verwendung einer herkömmlichen Ausrich tungstechnologie auf Hülsenbasis mit den optischen Fasern der Lichtwellenleiter-Bandverbindung 14 ausgerichtet wer den.

Bei der resultierenden Struktur des optoelektronischen Bau elements 10 richtet der Lötmittelhöckeraufschmelzung zwi schen den Metallisierungsstrukturen 46, 48 und 56, 58 die optischen Linsen 60, 62 genau mit dem optischen Bauelement 44 in der X-Y-Ebene aus (d. h. orthogonal zu einer Z-Achse 68, die der Achse der Lichtübertragung zwischen dem opti schen Bauelementsystem 40 und dem optischen Linsensystem 50 entspricht). Zusätzlich sind die optischen Linsen 60, 62 und das optische Bauelement 44 entlang der Z-Achse 68 aus gerichtet, um einen gewünschten fokalen Abstand zwischen dem optischen Bauelement 44 und dem optischen Element 52 zu erreichen. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wird die Z-Achsenausrichtung durch Einstellen der Dimension 70 der Lötmittelhöcker 66 entlang der Z-Achse 68 erreicht. Die Di mension 70 kann durch Ausgleichen der Oberflächenspannung und der Erdanziehungskräfte an der Verbindungstemperatur gesteuert werden, auf der Basis einer Anzahl von Parame tern, einschließlich der individuellen Lötmittelhöckervolu mina, der Größen der benetzbaren Kontaktflächen, der Sub stratmasse und der Lötmitteloberflächenspannung.

Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, kann die Z-Achsenausrichtung zwischen dem optischen Bauelement 44 und dem optischen Ele ment 52 bei einem anderen Ausführungsbeispiel erreicht wer den durch Einlassen des optischen Elements 52 unterhalb der Bauelementverbindungsoberfläche 54, um das optische Bauele ment 44 von dem optischen Element 52 um einen Abstand 72 zu trennen, der benötigt wird, um einen gewünschten fokalen Abstand zwischen dem optischen Bauelement 44 und dem opti schen Element 52 zu erreichen. Das optische Element 52 kann unter Verwendung von herkömmlichen Lithographie- und Ätz techniken unter die Bauelementverbindungsoberfläche einge lassen werden.

Mit Bezugnahme auf Fig. 4 wird bei einem anderen Ausfüh rungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements die Z- Achsenausrichtung zwischen dem optischen Bauelement 44 und dem optischen Element 52 durch die Anordnung eines Abstand haltersubstrats 80 zwischen dem optischen Substrat 64 und dem optischen Bauelementsubstrat 42 erreicht, das eine Öff nung 82 umfaßt, die es ermöglicht, daß Licht zwischen dem optischen Bauelement 44 und dem optischen Element 52 ver läuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel definiert die Bauele mentverbindungsoberfläche 54 - die die Metallisierungs strukturen 56, 58 trägt - eine Fläche des Abstandhaltersub strats 80. Die Z-Achsendicke eines Abstandhaltersubstrats 80 ist ausgewählt, um das optische Bauelement 44 von dem optischen Element 52 um einen Abstand 84 zu trennen, der benötigt wird, um einen gewünschten fokalen Abstand zwi schen dem optischen Bauelement 44 und dem optischen Element 52 zu erreichen. Das Abstandshaltersubstrat 80 kann aus ei nem Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium gebildet sein, und die Öffnung 82 kann unter Verwendung herkömmlicher Li thographie- und Ätztechniken gebildet werden. Das Abstand haltersubstrat 80 kann durch herkömmliche Waferbondingpro zesse (z. B. Haftverbindung, Siliziumfusionsverbindung, anodische Verbindung und thermokompressive Verbindungspro zesse) mit der optischen Oberfläche 64 verbunden werden. Die Waferbondingprozesse ermöglichen es vorteilhafterweise, daß die optoelektronischen Bauelemente 10 unter Verwendung von Stapelverarbeitung hergestellt werden können.

Mit Bezugnahme auf Fig. 4B können das Abstandhaltersubstrat 80 und das optische Substrat 64 bei einem alternativen Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements zu sammen unter Verwendung eines Flip-Chip- Lötmittelverbindungsprozesses verbunden werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt das Abstandhaltersubstrat 80 ei ne Faserseitenmetallisierungsstruktur 90, 92, und das opti sche Substrat 64 umfaßt eine Metallisierungsstruktur 94, 96. Eine Mehrzahl von Lötmittelhöckern 98 ist zwischen den Metallisierungsstrukturen 90, 92 und 94, 96 angeordnet, um das optische Element 52 in einer Ausrichtung mit der Öff nung 82 zu verbinden. Die Z-Achsendicke des Abstandhaltersubstrats 80 und die Z-Achsendimension der Lötmittelhöcker 98 sind ausgewählt, um das optische Bauelement 44 von dem optischen Element 52 um einen Abstand 100 zu trennen, der benötigt wird, um einen gewünschten fokalen Abstand zwischen dem optischen Bauelement 44 und dem optischen Element 52 zu erreichen. Während der Herstellung sind die Lötmittelhöcker 98 ursprünglich auf der Metallisierungsstruktur 94, 96 des optischen Substrats 64 angeordnet. Das optische Substrat 64 ist mit dem Abstandhaltersubstrat innerhalb einer Genauigkeit ausgerichtet, die für die Lötmittelhöcker 28 erforderlich ist, um mit den Metallisierungsstrukturen 90, 92 des Abstandhaltersubstrats 80 in Kontakt zu kommen. Die Anord nung wird dann auf eine Temperatur an oder über dem Schmelzpunkt der Lötmittelhöcker 98 erhöht. Die Lötmit telhöcker 98 benetzten die lötbaren Metallisierungsstruktu ren 90, 92 und Oberflächenspannungskräfte ziehen das opti sche Substrat 64 und das Abstandhaltersubstrat 80 in eine sehr genaue Ausrichtung (z. B. auf innerhalb ±4 µm). Die Anordnung wird abgekühlt, um eine fest verbundene und genau ausgerichtete Struktur zu bilden.

Mit Bezugnahme auf Fig. 5A und 5B kann das optoelektroni sche Bauelement 10 eines oder mehrere Bauelemente 44 und eine entsprechende Anzahl von optischen Elementen 52 umfas sen. Wie es in Fig. 5A gezeigt ist, kann das Abstandshal tersubstrat 80 eine einzige Öffnung 110 umfassen, durch die Licht zwischen den Paaren von optischen Bauelementen 44 und optischen Elementen 52 übertragen wird. Alternativ kann das Abstandshaltersubstrat 80 eine Öffnung 112, 114, 116 für jedes Paar von optischen Bauelementen 44 und optischer Ele mente 52 umfassen, wie es in Fig. 5B gezeigt ist.

Wie es in Fig. 6A und 6B gezeigt ist, kann bei einigen Aus führungsbeispielen eine integrierte Schaltung 120, die kon figuriert ist, um die optischen Bauelemente des optischen Bauelementsystems 40 zu treiben, durch herkömmliche Halb leiterverarbeitungstechniken einstückig mit dem Abstands haltersubstrat gebildet sein (Fig. 6A). Alternativ kann die integrierte Schaltung 120 durch einen herkömmlichen Flip- Chip-Lötmittelverbindungsprozeß mit dem Abstandshaltersub strat 80 verbunden sein (Fig. 6B).

Bei jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kann die Metallisierungsstruktur auf eine Vielzahl von Weisen angeordnet sein, um einen Bereich von Ausrichtungsgenauig keiten zu erreichen. Beispielsweise kann bei einem Ausfüh rungsbeispiel die Metallisierungsstruktur des optischen Bauelementsystems 40 (und folglich die Metallisierungs struktur der Bauelementverbindungsoberfläche 54) aus zwei versetzten Arrays 130, 132 aus lötbaren Verbindungsan schlußflächen 134 bestehen, die entlang gegenüberliegenden Seiten eines linearen Arrays von optischen Bauelementen 44 verlaufen, wie es in Fig. 7A gezeigt ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können die Metallisierungsstrukturen des optischen Substrats 64 und des Abstandshaltersubstrats 80 aus einem regulären rechteckigen Array von voneinander beabstandeten lötbaren Verbindungsanschlußflächen bestehen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 82 angeordnet sind, wie es in Fig. 7B gezeigt ist.

Andere Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Schutzbe reichs der Ansprüche. Beispielsweise können bei Ausfüh rungsbeispielen von optoelektronischen Bauelementen, die mehr als zwei optische Kanäle parallel unterbringen, die optischen Bauelemente 44 und die optischen Elemente 52 in eindimensionalen oder zweidimensionalen Arrays angeordnet sein.

Claims

1. Optoelektronisches Bauelement (10), das folgende Merk male aufweist:
ein optisches Bauelementsystem (40), das ein optisches Bauelementsubstrat (42), das eines oder mehrere Bau elemente (44) trägt, und eine lötbare Metallisierungs struktur (46, 48) mit einer räumlichen Anordnung be züglich des einen oder der mehreren optischen Bauele mente (44) umfaßt;
ein optisches Linsensystem (50), das eine oder mehrere optische Linsen (60, 62) und eine Bauelementverbin dungsoberfläche (54) umfaßt, die eine lötbare Metalli sierungsstruktur (56, 58) mit einer räumlichen Anord nung bezüglich der einen oder den mehreren optischen Linsen (60, 62) trägt; und
eine Mehrzahl von Lötmittelhöckern (66), die zwischen den Metallisierungsstrukturen (46, 48, 56, 58) des op tischen Bauelementsystems (40) und des optischen Lin sensystems (50) angeordnet sind;
wobei die Mehrzahl von Lötmittelhöckern (66) das opti sche Bauelementsubstrat (42) mit der Bauelementverbin dungsoberfläche (54) verbinden, wobei das eine oder die mehreren optischen Bauelemente (44) mit der einen oder den mehreren optischen Linsen (60, 62) ausgerich tet sind.

2. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die eine oder die mehreren optischen Linsen (60, 62) in die Bauelementverbindungsoberfläche (54) einge baut sind.

3. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die eine oder die mehreren optischen Linsen (60, 62) unterhalb der Bauelementverbindungsoberfläche (54) eingelassen sind.

4. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprü che 1 bis 3, bei dem das optische Linsensystem (50) ein optisches Substrat (64) umfaßt, das die eine oder die mehreren Linsen (60, 62) umfaßt, wobei die Bauele mentverbindungsoberfläche (54) eine Fläche eines Ab standshaltersubstrats (80) definiert.

5. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 4, bei dem das optische Substrat (64) durch einen Waferbon dingprozeß mit dem Abstandshaltersubstrat (80) verbun den ist.

6. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 4, bei dem das optische Substrat (64) durch einen Flip-Chip- Lötmittelverbindungsprozeß mit dem Abstandshaltersub strat (80) verbunden ist.

7. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprü che 4 bis 6, bei dem die Dicke des Abstandshaltersub strats (80) auf der Basis eines repräsentativen foka len Abstands zwischen dem einen oder den mehreren op tischen Bauelementen (44) und der einen oder den meh reren optischen Linsen (60, 62) ausgewählt ist.

8. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprü che 4 bis 7, bei dem das Abstandshaltersubstrat (80) eine oder mehrere Öffnungen (82) umfaßt, durch die Licht zwischen dem einen oder den mehreren optischen Bauelementen (44) und der einen oder den mehreren op tischen Linsen (60, 62) übertragen wird.

9. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprü che 4 bis 8, das ferner eine integrierte Schaltung (120) umfaßt, die auf dem Abstandshaltersubstrat (80) gebildet ist, und konfiguriert ist, um das eine oder die mehreren optischen Bauelemente (44) zu treiben.

10. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprü che 4 bis 9, das ferner eine integrierte Schaltung (120) umfaßt, die durch einen Flip-Chip- Lötmittelverbindungsprozeß mit dem Abstandshaltersüb strat verbunden ist, und konfiguriert ist, um das eine oder die mehreren optischen Bauelemente (44) zu trei ben.

11. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprü che 1 bis 10, bei dem eine charakteristische Dimension der Mehrzahl von Lötmittelhöckern (36) auf der Basis eines repräsentativen fokalen Abstands zwischen dem einen oder den mehreren optischen Bauelementen (44) und der einen oder den mehreren optischen Linsen (60, 62) ausgewählt ist.

12. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprü che 1 bis 11, bei dem das eine oder die mehreren opti schen Bauelemente (44) einen Vertikalresonatoroberflä chenemissionslaser (20) oder einen Detektor oder bei des umfassen.

13. Optoelektronisches Bauelement (10), das folgende Merk male aufweist:
ein optisches Linsensystem (50), das ein Linsensub strat (64) umfaßt, das eine oder mehrere optische Lin sen (60, 62) und ein Abstandshaltersubstrat (80) trägt, in dem eine oder mehrere Öffnungen (82) defi niert sind; und
ein optisches Bauelementsystem (40), das ein Bauele mentsubstrat (42) umfaßt, das eines oder mehrere opti sche Bauelemente (44) trägt;
wobei das Linsensubstrat (64) mit dem Abstandshalter substrat (80) verbunden ist, und das Abstandshalter substrat (80) mit dem Bauelementsubstrat (42) mit der einen oder mehreren optischen Linsen (60, 62) verbun den ist, wobei die eine oder die mehreren optischen Öffnungen (82) und die eine oder die mehreren opti schen Bauelemente (44) in übereinstimmender Ausrich tung zusammengehalten werden.

14. Verfahren zum Ausrichten eines optischen Bauelementsy stems (40) und eines optischen Linsensystems (50), das folgende Schritte aufweist:
Positionieren eines optischen Bauelementsystems (40) mit einem oder mehreren optischen Bauelementen (44) und einer lötbaren Metallisierungsstruktur (46, 48) benachbart zu einem optischen Linsensystem (50) mit einer oder mehreren Linsen (60, 62) und einer lötbaren Metallisierungsstruktur (56, 58) mit einer Mehrzahl von Lötmittelhöckern (66), die auf derselben angeord net sind; und
Erwärmen der Mehrzahl von Lötmittelhöckern (66) auf eine Temperatur an oder über dem Schmelzpunkt der Löt mittelhöcker (66);
wobei bei der Abkühlung die Mehrzahl von Lötmittelhöc kern (66) das optische Bauelementsystem (40) mit dem optischen Linsensystem (50) verbinden, wobei das eine oder die mehreren optischen Bauelemente (44) mit der einen oder den mehreren optischen Linsen (60, 62) aus gerichtet sind.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das optische Lin sensystem (50) ein optisches Substrat (64) umfaßt, das die eine oder die mehreren Linsen (60, 62) und ein Ab standshaltersubstrat (80) umfaßt, das die Metallisie rungsstruktur (46, 48) des optischen Linsensystems (50) trägt.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner das Verbinden des optischen Substrats (64) mit dem Abstandshalter substrat (80) umfaßt.

17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, das ferner das Auswählen der Dicke des Abstandshaltersubstrats (80) auf der Basis eines repräsentativen fokalen Abstands zwischen dem einen oder den mehreren optischen Bauele menten (44) und der einen oder den mehreren optischen Linsen (60, 62) umfaßt.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, das ferner das Bilden von einer oder mehreren Öffnungen (82) in dem Abstandshaltersubstrat (80) umfaßt, durch die Licht zwischen dem einen oder den mehreren opti schen Bauelementen (44) und der einen oder den mehre ren optischen Linsen (60, 62) übertragen wird.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner das Verarbeiten des Abstandshaltersubstrats (80) umfaßt, um eine integrierte Schaltung (120) zu bilden, die konfiguriert ist, um das eine oder die mehreren optische Bauelemente (44) zu treiben.

20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, das ferner das Verbinden einer integrierten Schaltung (120), die konfiguriert ist, um das eine oder die meh reren optischen Bauelemente (44) zu treiben, mit dem Abstandshaltersubstrat (80) durch einen Flip-Chip- Lötmittelverbindungsprozeß umfaßt.