DE102021201482A1

DE102021201482A1 - Optical circuit carrier arrangement and method for aligning such an arrangement

Info

Publication number: DE102021201482A1
Application number: DE102021201482.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Stumber; Pedro Andrei Krochin Yepez
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Offenbart ist eine optische Schaltungsträgeranordnung (1), die einen ersten optischen Schaltungsträger (2) und einen zweiten optischen Schaltungsträger (3) aufweist, wobei erste optische Bauelemente (4), die auf dem ersten Schaltungsträger (2) angeordnet sind, mit zweiten optischen Bauelementen (5), die auf dem zweiten Schaltungsträger (3) angeordnet sind, zu einer Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind. Der erste optische Schaltungsträger (2) weist ein erstes Ausrichtungselement (8a, 8b) auf und der zweite optische Schaltungsträger (3) weist ein zweites Ausrichtungselement (9a, 9b) auf, das komplementär zu dem ersten Ausrichtungselement (8a, 8b) ausgebildet ist, und das erste Ausrichtungselement (8a, 8b) steht mit dem zweiten Ausrichtungselement (9a, 9b) in Eingriff, wodurch die ersten optischen Bauelemente (4) mit den zweiten optischen Bauelementen (5) zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind.
Weiter ist ein entsprechendes Verfahren zum Ausrichten einer optischen Schaltungsträgeranordnung (1) offenbart.

Disclosed is an optical circuit carrier arrangement (1) which has a first optical circuit carrier (2) and a second optical circuit carrier (3), first optical components (4) arranged on the first circuit carrier (2) having second optical components (5), which are arranged on the second circuit substrate (3), are aligned for light transmission between them. The first optical circuit carrier (2) has a first alignment element (8a, 8b) and the second optical circuit carrier (3) has a second alignment element (9a, 9b) which is designed to be complementary to the first alignment element (8a, 8b), and the first alignment element (8a, 8b) engages the second alignment element (9a, 9b), whereby the first optical components (4) are aligned with the second optical components (5) for light transmission between them.
A corresponding method for aligning an optical circuit carrier arrangement (1) is also disclosed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Schaltungsträgeranordnung, die einen ersten optischen Schaltungsträger und einen zweiten optischen Schaltungsträger aufweist, wobei erste optische Bauelemente, die auf dem ersten optischen Schaltungsträger angeordnet sind, mit zweiten optischen Bauelementen, die auf dem zweiten optischen Schaltungsträger angeordnet sind, zu einer Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind.The present invention relates to an optical circuit carrier arrangement which has a first optical circuit carrier and a second optical circuit carrier, first optical components arranged on the first optical circuit carrier forming one with second optical components arranged on the second optical circuit carrier Light transmission between them are aligned.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten einer optischen Schaltungsträgeranordnung, bei dem ein erster optischer Schaltungsträger in Bezug auf einen zweiten optischen Schaltungsträger der optischen Schaltungsträgeranordnung zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet wird.Furthermore, the present invention relates to a method for aligning an optical circuit carrier arrangement, in which a first optical circuit carrier is aligned in relation to a second optical circuit carrier of the optical circuit carrier arrangement for light transmission between them.

Stand der TechnikState of the art

In den vergangenen Jahren haben miniaturisierte optische Systeme erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Unter diesen miniaturisierten Systemen wurden integrierte optische Systeme umfassend untersucht. Integrierte optische Systeme ermöglichen es, Licht durch extrem kompakte Wellenleiter zu leiten, die auf sogenannten photonischen integrierten Schaltungen (PIC) hergestellt werden. Das physikalische Prinzip der Lichtführung in photonischen integrierten Schaltungen ähnelt dem in faseroptischen Kabeln verwendeten. Während verschiedene Arten von photonischen integrierten Schaltungen erfolgreich in einer Laborumgebung vorgeführt wurden, gibt es nur wenige Beispiele für eine erfolgreiche Vorführung in einer kommerziellen Umgebung. Eine der größten Herausforderungen bei der Kommerzialisierung von photonischen Schaltungen ist das photonische Packaging. Das photonische Packaging umfasst die Schnittstellen zwischen der photonischen integrierten Schaltung und ihrer Umgebung.In recent years, miniaturized optical systems have attracted considerable attention. Among these miniaturized systems, integrated optical systems have been extensively studied. Integrated optical systems make it possible to guide light through extremely compact waveguides that are fabricated on so-called photonic integrated circuits (PIC). The physical principle of light guidance in photonic integrated circuits is similar to that used in fiber optic cables. While various types of photonic integrated circuits have been successfully demonstrated in a laboratory environment, there are few examples of successful demonstration in a commercial environment. One of the biggest challenges in commercializing photonic circuits is photonic packaging. Photonic packaging includes the interfaces between the photonic integrated circuit and its environment.

Die optische Schnittstelle befasst sich mit einer der größten Herausforderungen auf dem Gebiet der integrierten Optik, nämlich der Einkopplung von Licht aus einer Laserquelle in einen photonischen IC. Bisher wurden zwar verschiedene Ansätze zur Lichteinkopplung vorgeführt, aber kein serientaugliches Verfahren etabliert. Für die Serienfertigung ist ein schnelles, effizientes und kostensparendes Verfahren erforderlich.The optical interface addresses one of the biggest challenges in the field of integrated optics, namely coupling light from a laser source into a photonic IC. So far, various approaches to light coupling have been demonstrated, but no process suitable for series production has been established. A fast, efficient and cost-saving process is required for series production.

Eine effiziente Kopplung zwischen zwei optischen Komponenten, beispielsweise zwischen den jeweiligen optischen Bauelementen auf den beiden optischen Schaltungsträgern, erfordert, dass die Modenfelder beider Komponenten in ihrer Größe aufeinander abgestimmt und genau zueinander ausgerichtet sind. Zur Anpassung des Modenfeldes der optischen Komponenten werden sogenannte Koppelstrukturen verwendet. Im photonischen IC, synonym auch als optische Schaltung bezeichnet, werden die Koppelstrukturen entweder auf der Oberseite oder auf dem Rand des photonischen ICs platziert. Koppelstrukturen, die auf dem Rand des photonischen ICs angeordnet sind, werden als Kantenkoppler bezeichnet, und die auf der Oberseite des PICs angeordneten Koppelstrukturen werden gewöhnlich als Oberflächenkoppler bezeichnet. Gitterkoppler sind eine Ausführungsform von solchen Oberflächenkopplern. Darüber hinaus werden die Anforderungen an die Ausrichtung zwischen zwei optischen Komponenten durch die Abmessungen der Modenfelder der einzelnen Komponenten bestimmt. Komponenten mit größeren Modenfeldern ermöglichen eine entspanntere Ausrichtung als Komponenten mit kleineren Modenfeldern. Unabhängig von der Art des verwendeten Kopplers liegen die Abmessungen der optischen Modenfelder aufgrund der sub-µm-Dimensionen der Wellenleiter im photonischen IC in der Regel im sub-µm-Bereich. Um Licht effizient in photonische integrierte Schaltungen einzukoppeln, ist daher eine sub-µm-Ausrichtung zwischen den Komponenten erforderlich.Efficient coupling between two optical components, for example between the respective optical components on the two optical circuit carriers, requires that the mode fields of both components are matched in terms of their size and precisely aligned with one another. So-called coupling structures are used to adapt the mode field of the optical components. In the photonic IC, also referred to synonymously as an optical circuit, the coupling structures are placed either on the top or on the edge of the photonic IC. Coupling structures located on the edge of the photonic IC are referred to as edge couplers, and coupling structures located on top of the PIC are commonly referred to as surface couplers. Grating couplers are one embodiment of such surface couplers. In addition, the alignment requirements between two optical components are determined by the dimensions of the mode fields of the individual components. Components with larger mode fields allow for more relaxed alignment than components with smaller mode fields. Regardless of the type of coupler used, the dimensions of the optical mode fields are typically in the sub-micron range due to the sub-micron dimensions of the waveguides in the photonic IC. Therefore, in order to efficiently couple light into photonic integrated circuits, sub-µm alignment between the components is required.

Ein allgemein übliches Verfahren, um diese sub-µm-Ausrichtung zu erreichen, ist die sogenannte aktive Ausrichtung. Während des aktiven Ausrichtens wird die eingekoppelte optische Leistung überwacht, während die Komponenten relativ zueinander bewegt werden. Sobald die Position gefunden ist, die zur maximalen Kopplung führt (d.h. zur maximalen eingekoppelten optischen Leistung), werden die Komponenten an dieser Position fixiert. Die aktive Ausrichtung ist ein zeitaufwendiger Schritt, der die Serienproduktion und damit die Kommerzialisierung integrierter optischer Systeme behindert. Um die serientaugliche Herstellung und damit die Kommerzialisierung photonischer Systeme zu ermöglichen, sind passive Verfahren zur Ausrichtung erwünscht. Passives Ausrichten würde es ermöglichen, die optischen Komponenten direkt an der Position zu platzieren und zu fixieren, an der die maximale Kopplung erreicht werden soll. Die Tatsache, dass während der passiven Ausrichtung die Komponenten nicht eingeschaltet werden müssen und dass die Positionen der Komponenten nach dem Platzieren nicht verändert werden müssen, würde die Herstellungszeiten und -kosten reduzieren und somit die Serienproduktion von photonischen Systemen ermöglichen.A common method to achieve this sub-micron alignment is what is known as active alignment. During active alignment, the launched optical power is monitored while the components are moved relative to each other. Once the position is found that results in maximum coupling (i.e., maximum coupled optical power), the components are fixed at that position. Active alignment is a time-consuming step that hinders mass production and thus commercialization of integrated optical systems. In order to enable series production and thus the commercialization of photonic systems, passive alignment methods are desirable. Passive alignment would allow the optical components to be placed and fixed directly at the position where maximum coupling is to be achieved. The fact that the components do not have to be switched on during passive alignment and that the positions of the components do not have to be changed after placement would reduce manufacturing times and costs and thus enable the mass production of photonic systems.

Eine der größten Herausforderungen passiver Ausrichtungsverfahren ist die Einhaltung der geforderten sub- µm Ausrichtungsgenauigkeit zwischen den optischen Komponenten, da diese Genauigkeit viel geringer ist als die Positioniergenauigkeit herkömmlicher, industrieller Positioniermaschinen (ca. 5-10 µm). Um eine passive Ausrichtung zu ermöglichen, muss daher entweder die Positioniergenauigkeit industrieller Maschinen verbessert oder die Anforderungen an die Ausrichtung von Silizium-Photonik-Komponenten gelockert werden.One of the main challenges of passive alignment methods is maintaining the required sub-µm alignment accuracy between the optical components, since this accuracy is much lower than the positioning accuracy of conventional, industrial positioning machines (approx. 5-10 µm). Therefore, to enable passive alignment, either the position The accuracy of industrial machines can be improved or the requirements for the alignment of silicon photonic components can be relaxed.

Da die Ausrichtanforderungen von den Abmessungen der Modenfelder abhängen, besteht eine einfache Möglichkeit, die Ausrichtungstoleranzen zwischen optischen Komponenten zu lockern, darin, die Größe der Modenfelder der Lichtstrahlen zu erweitern. Eine Möglichkeit, das Modenfeld zu erweitern, ist die Verwendung von Mikrolinsen, die mittels Zwei-Photonen-Polymerisation hergestellt werden (auch als Zwei-Photonen-Lithographie bekannt). Die Verwendung von 3D-Druckstrukturen zur Erweiterung der Modenfelder und damit zur Erleichterung der optischen Kopplung wurde bereits vorgeführt. Dietrich (2018) hat verschiedene Arten von Mikrolinsen und Mikrospiegeln direkt auf dem Rand einer Vielzahl von Chips vorgeführt (siehe schematische Darstellung der Kombination mehrerer photonischer Komponenten mit 3D-gedruckten Mikrolinsen und Mikrospiegeln zur Erstellung einer photonischen Multi-Chip-Baugruppe in P.-I. Dietrich et.al., Naturphotonik 12 (4), S. 241-257 (2018): „In-Situ 3D Nano-Printing of Freeform Coupling Elements for Hybrid Photonic Integration“.). Diese von Dietrich gezeigten Komponenten sind zwar äußerst effizient bei der Ausdehnung der Modenfelder, aber die meisten von ihnen erfordern noch eine aktive Ausrichtung, um die Quell- und Empfängerkomponente auszurichten.Since the alignment requirements depend on the dimensions of the mode fields, an easy way to relax the alignment tolerances between optical components is to increase the size of the light beams' mode fields. One way to extend the mode field is to use microlenses fabricated using two-photon polymerization (also known as two-photon lithography). The use of 3D printed structures to expand the mode fields and thus facilitate optical coupling has already been demonstrated. Dietrich (2018) demonstrated different types of microlenses and micromirrors directly on the edge of a variety of chips (see schematic of combining multiple photonic components with 3D printed microlenses and micromirrors to create a photonic multi-chip assembly in P.-I Dietrich et al., Naturphotonik 12 (4), pp. 241-257 (2018): "In-Situ 3D Nano-Printing of Freeform Coupling Elements for Hybrid Photonic Integration".). While these components shown by Dietrich are extremely efficient at extending the modal fields, most of them still require active alignment to align the source and receiver components.

Bei photonischen Anwendungen, die mehrere optische Eingänge erfordern, wird oft eine Anordnung von Gitterkopplern auf dem photonische IC hergestellt. Dann wird weiter eine Anordnung von Lichtquellen, wie z.B. ein Faserfeld aus Lichtleiterfasern oder ein Feld aus Lasern, verwendet.In photonic applications that require multiple optical inputs, an array of grating couplers is often fabricated on top of the photonic IC. An array of light sources, such as a fiber array of optical fibers or an array of lasers, is then further used.

In Fällen, in denen Gitterkoppler verwendet werden, kann eine Anordnung von oberflächenemittierenden Lasern (VCSELs), im Deutschen hier auch kurz als Oberflächenemitter bezeichnet, genutzt werden. Ein Faserfeld ist ein Feld von optischen Fasern, Lichtleiterfasern, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.In cases where grating couplers are used, an array of surface emitting lasers (VCSELs), also referred to herein as surface emitters, can be used. A fiber array is an array of optical fibers, optical fibers, that are spaced apart from each other.

Die Substrate, in denen die einzelnen Lichtleitfasern angeordnet sind, werden in der Regel mit einer Kombination aus Lithographie- und Ätzschritten hergestellt, um einen gut definierten Abstand zwischen optischen Fasern zu erhalten. In ähnlicher Weise ist ein VCSEL-Feld ein Feld von VCSELs, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Da der Abstand zwischen den Fasern / VCSELs während der Herstellung lithografisch bestimmt wird, kann er mit einer Genauigkeit unter 1 µm gesteuert werden. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Faser- oder VCSEL-Feldern besteht darin, dass mit einem einzigen Schritt mehrere Lichtquellen (Fasern oder VCSELs) mit den Kopplerelementen in dem photonischen IC ausgerichtet werden. Ein Verfahren zur Reduzierung der Montagezeit ist somit die Verwendung eines Feldes optischer Komponenten, da auf diese Weise mehrere optische Kanäle mit einzelnen Ausrichtungsschritten ausgerichtet werden können. Dies reduziert zwar tatsächlich die Montagezeiten, dennoch ist eine aktive Ausrichtung erforderlich.The substrates in which the individual optical fibers are arranged are typically fabricated using a combination of lithography and etching steps to obtain a well-defined spacing between optical fibers. Similarly, a VCSEL array is an array of VCSELs that are spaced apart from each other. Because the spacing between fibers/VCSELs is lithographically determined during fabrication, it can be controlled with sub-1 µm accuracy. One of the main advantages of using fiber or VCSEL arrays is that in a single step, multiple light sources (fibers or VCSELs) are aligned with the coupler elements in the photonic IC. Thus, one method of reducing assembly time is to use an array of optical components, since this allows multiple optical channels to be aligned with single alignment steps. While this does indeed reduce assembly times, active alignment is still required.

Die Lichtkopplung zwischen zwei oder mehr optischen Komponenten ist eine der größten Herausforderungen, die die Serienfertigung integrierter optischer Systeme behindert. Aufgrund der strengen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit und Ausrichtung zwischen integrierten optischen Komponenten ist jedoch, wie oben beschrieben, während der Montage des optischen Systems in der Regel eine aktive Überwachung der eingekoppelten optischen Leistung (d.h. aktive Ausrichtung) erforderlich. Dies ist ein komplexer und extrem langsamer Prozess, weshalb Alternativen erforderlich sind, die eine aktive Ausrichtung vermeiden.Coupling light between two or more optical components is one of the major challenges hindering the mass production of integrated optical systems. However, as described above, due to the stringent requirements for positioning accuracy and alignment between integrated optical components, active monitoring of the coupled optical power (i.e., active alignment) is typically required during assembly of the optical system. This is a complex and extremely slow process, requiring alternatives that avoid active targeting.

Wie oben beschrieben, verwenden Lösungen nach dem heutigen Stand der Technik die so genannte aktive Ausrichtung, bei der die gekoppelten optischen Leistung aktiv überwacht wird, während die Strukturen relativ zueinander bewegt werden, bis die maximale Kopplung gefunden ist. Bei der Verwendung von Feldern von Lichtquellen werden zur Erleichterung der aktiven Ausrichtung sogenannte optische Shunts verwendet.As described above, current state-of-the-art solutions use so-called active alignment, in which the coupled optical power is actively monitored while the structures are moved relative to each other until the maximum coupling is found. When using arrays of light sources, so-called optical shunts are used to facilitate active alignment.

Optische Shunts werden im photonischen IC hergestellt und verbinden direkt einen Eingang und einen Ausgang, sodass während des aktiven Ausrichtens die gemessene Dämpfung der optischen Leistung nur durch die Dämpfung (Verluste) der Ein- und Auskoppelnden Elemente gegeben ist. Zur Erleichterung der Drehausrichtung um die Richtung α_z, wobei es sich um eine Rotation handelt, werden in der Regel die äußeren Koppler im photonischen IC als optischer Shunt verwendet, sodass, wenn beide Komponenten korrekt ausgerichtet sind (d.h. wenn die Kopplungseffizienz zwischen beiden Komponenten maximal ist), erwartet wird, dass alle Koppler zwischen ihnen ebenfalls korrekt ausgerichtet sind.Optical shunts are manufactured in the photonic IC and directly connect an input and an output, so that during active alignment the measured optical power attenuation is only given by the attenuation (losses) of the coupling and decoupling elements. To facilitate rotational alignment about the direction α _z , which is a rotation, the outer couplers in the photonic IC are typically used as an optical shunt such that when both components are properly aligned (i.e., when the coupling efficiency between both components is maximum is), all couplers between them are expected to be correctly aligned as well.

Unabhängig von der Art des Lichtquellen-Feldes sowie unabhängig davon, ob ein optischer Shunt verwendet wird oder nicht, erfordert die Ausrichtung des Lichtquellen-Feldes zum photonischen IC eine aktive Ausrichtung.Regardless of the type of light source array and regardless of whether an optical shunt is used or not, the alignment of the light source array to the photonic IC requires active alignment.

Eine effiziente Lichtkopplung zwischen integrierten optischen Komponenten (wie z.B. photonischen integrierten Schaltungen) erfordert eine extrem genaue Ausrichtung zwischen Quell- und Empfängerkomponente. Bis heute wird diese Ausrichtung durch aktives Justieren erreicht, was ein zeitaufwändiges Verfahren ist, das teure Spezialausrüstung erfordert und die (groß-)serientaugliche Herstellung integrierter optischer Systeme behindert. Um die Herstellung und Kommerzialisierung photonischer Systeme im großen Maßstab zu ermöglichen, müssen daher zeit- und kosteneffiziente Verfahren für die Montage gefunden werden. Im Idealfall muss ein Verfahren entwickelt werden, das eine passive Ausrichtung mit Hilfe konventioneller Positionierungsgeräte ermöglicht.Efficient light coupling between integrated optical components (such as photonic integrated circuits) requires extremely precise alignment between the source and receiver components. To date, this is off Direction is achieved by active alignment, which is a time-consuming process that requires expensive special equipment and hinders the (large) series production of integrated optical systems. In order to enable the large-scale manufacture and commercialization of photonic systems, time- and cost-efficient methods for assembly must therefore be found. Ideally, a procedure must be developed that enables passive alignment using conventional positioning devices.

Die DE 10 2005 000 626 A1 offenbart ein optoelektronisches Modul, das unter anderem ein Ausrichtungselement aufweist, das an einem Waferebenengehäuse angebracht ist. Das Ausrichtungselement weist Merkmale auf, die geformt sind, um mit einem Faseroptikverbinder zusammenzupassen und die aktive Region eines optoelektronischen Bauelements zu einer optischen Faser auszurichten. Das Ausrichtungselement ist für eine wirksame Lichtwellenlänge eines optischen Empfangsgeräts geeignet transparent. Eine hintere Seite des Ausrichtungselements ist an einem Deckel des Waferebenengehäuses angebracht und eine vordere Seite kann geneigt sein, um Rückreflexionen von der optischen Faser zu minimieren. Das Ausrichtungselement weist Merkmale auf, die mit einem Faseroptikverbinder zusammenpassen, um die aktive Region des optoelektronischen Bauelements mit einer optischen Faser auszurichten, beispielsweise zwei Stäbe. Ein Mini-MT-RJ-Verbinder weist eine Hülse mit entsprechenden weiblichen Merkmalen auf, die mit den Stäben zusammenpassen. Die Übertragungswege für die optischen Signale gehen in Ausführungsbeispielen durch die Stäbe des Ausrichtungselements. Die Stäbe sind abschnittsweise als Kegelstümpfe geformt. Spritzgießen wird explizit für die Herstellung der Ausrichtungselemente offenbart und es wird angeregt, stattdessen andere Prozesse zu nutzen, die eine monolithische Komponente herstellen können. Diese Schrift betrifft jedoch insbesondere nicht das Gebiet der gestapelten Platinenanordnungen.the DE 10 2005 000 626 A1 discloses an optoelectronic module including, among other things, an alignment element attached to a wafer level package. The alignment element has features shaped to mate with a fiber optic connector and align the active region of an optoelectronic device with an optical fiber. The alignment element is suitably transparent for an effective light wavelength of an optical receiving device. A rear side of the alignment element is attached to a lid of the wafer level package and a front side may be sloped to minimize back reflections from the optical fiber. The alignment element has features that mate with a fiber optic connector to align the active region of the optoelectronic device with an optical fiber, such as two rods. A mini MT-RJ connector has a sleeve with corresponding female features that mate with the rods. In exemplary embodiments, the transmission paths for the optical signals pass through the rods of the alignment element. The rods are shaped in sections as truncated cones. Injection molding is explicitly disclosed for the production of the alignment elements and it is suggested to use other processes that can produce a monolithic component instead. However, this document does not particularly relate to the field of stacked circuit board assemblies.

Die DE 20 2006 010 694 U1 stammt aus dem Gebiet der Gebäudebautechnik und zeigt und beschreibt eine mechanische Vorrichtung zur Ausrichtung von mehrschichtigen Paneelen. Vorgesehen sind miteinander kooperierende Ausrichtungselemente. Die Ausrichtungselemente können kegelförmig sein und bewirken, dass sichtbare Flächen von Platten miteinander bündig sind. Auch diese Schrift betrifft nicht das Gebiet der gestapelten Platinenanordnungen, wo zwei Platinen zueinander ausgerichtet werden sollen.the DE 20 2006 010 694 U1 comes from the field of building construction technology and shows and describes a mechanical device for aligning multi-layer panels. Alignment elements cooperating with one another are provided. The alignment features may be cone-shaped and cause visible faces of panels to be flush with one another. This document also does not relate to the field of stacked circuit board assemblies, where two circuit boards are to be aligned with one another.

Aus der DE 602 04 032 T2 ist allgemein bekannt, dass eine IC mechanische Merkmale aufweisen kann, die Ausrichten und/oder Befestigung der IC an einer anderen Struktur ermöglichen, einschließlich, ohne Begrenzung, an einer anderen IC und dergleichen. Die mechanischen Merkmale können integriert mit der IC ausgebildet werden und beispielsweise Zapfen und dergleichen, die sich über eine Oberfläche der IC hinaus erstrecken, und/oder Ausnehmungen oder Mulden, die sich in eine Oberfläche der IC hinein erstrecken, umfassen. Die genaue Ausgestaltung solcher mechanischen Merkmale und ihre mögliche Funktion als elektrische Verbindung von einer Platine zu einer anderen wird jedoch nicht diskutiert. Auch wird eine Verwendung in Zusammenhang mit einer optischen Einkopplung nicht erwähnt.From the DE 602 04 032 T2 It is well known that an IC may have mechanical features that allow for alignment and/or attachment of the IC to other structure, including without limitation another IC and the like. The mechanical features may be formed integrally with the IC and may include, for example, studs and the like extending beyond a surface of the IC and/or recesses or troughs extending into a surface of the IC. However, the exact design of such mechanical features and their possible function as an electrical connection from one circuit board to another is not discussed. A use in connection with an optical coupling is also not mentioned.

Die DE 600 26 891 T2 schließlich offenbart eine Befestigungs- und Ausrichtungsstruktur für optische Komponenten. Die Strukturen werden verwendet, um optische Komponenten mit einer optischen Platine oder optischen Bank zu verbinden. Auf einer Trägeroberfläche kann ein Ausrichtungsmerkmal bereitgestellt sein, das verwendet wird, um die Struktur auf einer optischen Bank anzuordnen. Dies können Schlitze sein und im Ergebnis können sich männliche Vorstände einer optischen Komponente in Eingriff mit den Schlitzen befinden, um die optische Komponente über einem optischen Anschluss auszurichten. Strukturen können unter Verwendung von Fotolithographie hergestellt werden. Diese Schrift befasst sich ebenfalls nicht mit der Ausrichtung zweier Platinen einer Stapelanordnung zur Einkopplung von Licht.the DE 600 26 891 T2 finally discloses a mounting and alignment structure for optical components. The structures are used to connect optical components to an optical board or optical bench. An alignment feature may be provided on a support surface, which is used to place the structure on an optical bench. These may be slots and as a result male tabs of an optical component may engage the slots to align the optical component over an optical connector. Structures can be made using photolithography. This document also does not deal with the alignment of two circuit boards in a stacked arrangement for coupling in light.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Erfindungsgemäß wird eine optische Schaltungsträgeranordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei der der erste optische Schaltungsträger ein erstes Ausrichtungselement aufweist und der zweite optische Schaltungsträger ein zweites Ausrichtungselement aufweist, das komplementär zu dem ersten Ausrichtungselement ausgebildet ist, und das erste Ausrichtungselement mit dem zweiten Ausrichtungselement in Eingriff steht, wodurch die ersten optischen Bauelemente mit den zweiten optischen Bauelementen zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind.According to the invention, an optical circuit carrier arrangement of the type mentioned is made available, in which the first optical circuit carrier has a first alignment element and the second optical circuit carrier has a second alignment element, which is designed to be complementary to the first alignment element, and the first alignment element with the second alignment element is engaged whereby the first optical components are aligned with the second optical components for light transmission between them.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Die optische Schaltungsträgeranordnung hat den Vorteil, dass eine vereinfachte Ausrichtung des ersten optischen Schaltungsträgers auf den zweiten optischen Schaltungsträger zur Lichtübertragung zwischen ihnen ermöglicht wird.The optical circuit carrier arrangement has the advantage that simplified alignment of the first optical circuit carrier with the second optical circuit carrier for light transmission between them is made possible.

Eine Hauptidee hinter dieser Erfindung ist die Herstellung von Hilfsstrukturen, nämlich den ersten und zweiten Ausrichtungselementen, auf dem Feld der Quelle (z.B. Faserfeld oder VCSEL-Feld), die vorzugsweise der erste optische Schaltungsträger als erste optische Bauelemente tragen kann, und auf dem Feld des Empfängers (z.B. photonisches IC), den vorzugsweise der zweite optische Schaltungsträger als zweite optische Bauelemente tragen kann. Durch die Herstellung dieser Hilfsstrukturen wird die erforderliche Positionierungsgenauigkeit zwischen den optischen Bauteilen auf ein Niveau gesenkt, das mit herkömmlichen Positionierungswerkzeugen erreichbar ist, die somit eine passive Ausrichtung zwischen den Komponenten ermöglichen.A main idea behind this invention is the fabrication of auxiliary structures, namely the first and second alignment elements, on the source array (eg fiber array or VCSEL array) that preferably the first optical circuit carrier can carry as first optical components, and on the field of the receiver (eg photonic IC), which preferably the second optical circuit carrier can carry as second optical components. By manufacturing these auxiliary structures, the required positioning accuracy between the optical components is reduced to a level achievable with conventional positioning tools, thus enabling passive alignment between the components.

Unter einem optischen Schaltungsträger ist in diesem Zusammenhang ein Trägerelement gemeint, das eine optische Schaltung trägt, die eine Anordnung von optischen und eventuell elektrischen Verbindungen mehrerer optischer Funktionen, dargestellt durch ein oder mehrere optische oder optoelektrische Bauelemente, sein kann. Die optischen Bauelemente können direkt oder über den optischen Schaltungsträger, der auch als Substrat bezeichnet werden kann, miteinander verbunden sein.In this context, an optical circuit carrier means a carrier element that carries an optical circuit, which can be an arrangement of optical and possibly electrical connections of a plurality of optical functions, represented by one or more optical or optoelectric components. The optical components can be connected to one another directly or via the optical circuit carrier, which can also be referred to as a substrate.

Die optische Schaltungsträgeranordnung kann viele verschiedene Arten von ersten und zweiten optischen Schaltungsträgern aufweisen. Ein möglicher optischer Schaltungsträger ist eine PIC, also eine photonische integrierte Schaltung. Ein weiterer möglicher optischer Schaltungsträger ist ein so genannter Interposer. Noch ein weiterer möglicher optischer Schaltungsträger ist eine Platine. Die Ausrichtungselemente können auf allen genannten und auch auf weiteren Arten von optischen Schaltungsträgern angeordnet sein. Die Arten von optischen Schaltungsträgern des ersten optischen Schaltungsträgers und des zweiten optischen Schaltungsträgers können in beliebiger Kombination aus den oben genannten Beispielen ausgewählt sein, sind aber nicht darauf beschränkt. Der erste optische Schaltungsträger kann dieselbe Art von optischem Schaltungsträger wie der zweite optische Schaltungsträger sein. Alternativ kann der erste optische Schaltungsträger eine andere Art von optischem Schaltungsträger sein als der zweite optische Schaltungsträger. In manchen Ausführungsformen ist bereits ein einzelnes optisches und/oder optoelektrisches Bauelement einer der beiden optischen Schaltungsträger. Insbesondere kann eine einzelne PIC eine oder beide der optischen Schaltungsträger sein. Mit anderen Worten, diese PIC kann ein Ausrichtungselement tragen und wäre somit im Sinne der vorliegenden Anmeldung schon eines der beiden in Bezug zueinander auszurichtenden optischen Schaltungsträger.The optical circuit substrate assembly may include many different types of first and second optical circuit substrates. A possible optical circuit carrier is a PIC, i.e. a photonic integrated circuit. Another possible optical circuit carrier is what is known as an interposer. Yet another possible optical circuit carrier is a printed circuit board. The alignment elements can be arranged on all of the types of optical circuit carriers mentioned and also on other types. The types of optical circuit substrates of the first optical circuit substrate and the second optical circuit substrate may be selected in any combination from the above examples, but are not limited thereto. The first optical circuit substrate may be the same type of optical circuit substrate as the second optical circuit substrate. Alternatively, the first optical circuit substrate may be a different type of optical circuit substrate than the second optical circuit substrate. In some embodiments, a single optical and/or optoelectrical component is already one of the two optical circuit carriers. In particular, a single PIC may be one or both of the optical circuit substrates. In other words, this PIC can carry an alignment element and would therefore already be one of the two optical circuit carriers to be aligned with respect to one another in the sense of the present application.

Manche Ausführungsformen sehen vor, dass das erste Ausrichtungselement einen Vorsprung ausbildet und das zweite Ausrichtungselement eine komplementäre Aussparung zur Aufnahme des Vorsprungs aufweist. Der Vorsprung kann insbesondere kegelförmig ausgeführt sein, also vorzugsweise in einem Querschnitt betrachtet spitz zulaufen und eine kreisrunde Grundfläche aufweisen. Dies kann ein Hineingleiten des ersten Ausrichtungselements in die Aussparung des zweiten Ausrichtungselements erleichtern, falls der Vorsprung anfänglich nicht exakt mittig in die Aussparung eingeführt wird. Die Erfindung ist allerdings nicht auf kreisrunde Grundflächen beschränkt. Auch andere Geometrien, die denselben Zweck erfüllen können, sind in manchen Ausführungsformen vorgesehen. Alternativ ist der Vorsprung insbesondere pyramidenförmig ausgebildet. Die Ausrichtungselemente können durch 3D-Druck bereitgestellt sein.Some embodiments provide that the first alignment element forms a projection and the second alignment element has a complementary recess for receiving the projection. The projection can in particular be conical, ie preferably tapered when viewed in cross-section and have a circular base area. This can make it easier for the first alignment element to slide into the recess of the second alignment element if the projection is not initially inserted exactly centrally into the recess. However, the invention is not limited to circular bases. Other geometries that can serve the same purpose are also provided in some embodiments. Alternatively, the projection is in particular configured in the shape of a pyramid. The alignment features can be provided by 3D printing.

Vorzugsweise weist das erste Ausrichtungselement eine Länge im Bereich zwischen 1 µm und 30 µm auf. Ausführungsformen sehen vor, dass die Länge zwischen 5 µm und 25 µm liegt. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass die Länge zwischen 10 µm und 20 µm liegt. Besonders bevorzugt ist, dass die Länge etwa 20 µm beträgt. Die Länge ist vorzugsweise die Richtung, entlang der der Vorsprung spitz zuläuft. Vorzugsweise weist das erste Ausrichtungselement eine Breite im Bereich zwischen 1 µm und 30 µm auf. Ausführungsformen sehen vor, dass die Breite zwischen 5 µm und 25 µm liegt. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass die Breite zwischen 10 µm und 20 µm liegt. Besonders bevorzugt ist, dass die Breite etwa 20 µm beträgt. Die Breite ist vorzugsweise die Richtung, die senkrecht zur Länge liegt. Die genannten Maße sind geeignet, das Ausrichten wie gewünscht zu vereinfachen, nehmen aber andererseits auch nicht zu viel Raum auf den beiden optischen Schaltungsträgern ein. Tatsächliche Abmessungen der Länge und der Breite könnten aber noch deutlich kleiner oder deutlich größer sein als die oben genannten Werte. Die Länge kann insbesondere derart gewählt sein, dass eine gewünschte Höhe, also ein Abstand, zwischen den optischen Schaltungsträgern eingerichtet werden kann, die dann der Länge entspricht.Preferably, the first alignment element has a length in the range between 1 µm and 30 µm. Embodiments provide that the length is between 5 μm and 25 μm. Other embodiments provide that the length is between 10 μm and 20 μm. It is particularly preferred that the length is approximately 20 μm. The length is preferably the direction along which the projection tapers. Preferably, the first alignment element has a width in the range between 1 µm and 30 µm. Embodiments provide that the width is between 5 μm and 25 μm. Other embodiments provide for the width to be between 10 μm and 20 μm. It is particularly preferred that the width is approximately 20 μm. The width is preferably the direction perpendicular to the length. The dimensions mentioned are suitable for simplifying alignment as desired, but on the other hand do not take up too much space on the two optical circuit carriers. However, actual length and width dimensions could still be significantly smaller or significantly larger than the values mentioned above. In particular, the length can be selected in such a way that a desired height, ie a distance, can be established between the optical circuit carriers, which then corresponds to the length.

Bevorzugt ist, dass der erste optische Schaltungsträger und der zweite optische Schaltungsträger durch das erste Ausrichtungselement und das zweite Ausrichtungselement in Bezug zueinander geneigt angeordnet sind. Dies lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass die Ausrichtungselemente unter einem Winkel in Bezug auf die jeweiligen Schaltungsträger, die die Ausrichtungselemente tragen, von den jeweiligen Schaltungsträgern hervorstehen. Auch kann vorgesehen sein, dass verschiedene Ausrichtungselemente unterschiedliche Längen aufweisen, sodass die beiden optischen Schaltungsträger in Bezug zueinander geneigt angeordnet sind. Nicht immer sollen die beiden Schaltungsträger nämlich parallel zueinander angeordnet sein, sodass die Ausrichtungselemente dann sicherstellen können, dass eine gewünschte Neigung zwischen den Schaltungsträgern winkelgenau eingestellt und dauerhaft beibehalten werden kann.It is preferred that the first optical circuit substrate and the second optical circuit substrate are arranged inclined with respect to one another by the first alignment element and the second alignment element. This can be achieved in particular in that the alignment elements protrude from the respective circuit carriers at an angle in relation to the respective circuit carriers that carry the alignment elements. Provision can also be made for different alignment elements to have different lengths, so that the two optical circuit carriers are arranged inclined in relation to one another. The two circuit carriers should not always be arranged parallel to one another, so that the alignment processing elements can then ensure that a desired inclination between the circuit carriers can be set at an exact angle and maintained over the long term.

Das erste Ausrichtungselement und das zweite Ausrichtungselement weisen in manchen Ausführungsformen eine elektrische Durchführung auf, um den ersten optischen Schaltungsträger mit dem zweiten optischen Schaltungsträger elektrisch zu verbinden. Die elektrische Durchführung erlaubt es, elektrische Bauelemente, die in der optischen Schaltungsträgeranordnung vorgesehen sein können, miteinander elektrisch zu kontaktieren, selbst wenn diese elektrischen Bauelemente räumlich getrennt voneinander teilweise auf dem ersten optischen Schaltungsträger und teilweise auf dem zweiten optischen Schaltungsträger angeordnet sind. Die elektrische Durchführung kann aus jeweils einem Kanal in den Ausrichtungselementen gebildet sein, der mit einem elektrisch leitfähigen Material verfüllt ist, vorzugsweise mit Silber. Der Kanal kann insbesondere entlang der Länge der Ausrichtungselemente zentral durch die Ausrichtungselemente hindurch gebildet sein. Das Material kann als Paste in den jeweiligen Kanal eingefüllt werden, wenn die Ausrichtungselemente auf den Schaltungsträgern bereitgestellt werden, und anschließend aushärten. Eine alternative Option wäre die Integration von Rillen in die Seitenwände der Ausrichtungselemente. Die Rillen oder der Kanal könnten mit der Leitpaste oder einem leitenden Klebstoff gefüllt werden, um die elektrisch zu versorgenden Bauelemente, insbesondere Chips, des einen optischen Schaltungsträgers mit Strom liefernden Bauelementen des anderen optischen Schaltungsträgers auf Wunsch elektrisch zu verbinden.In some embodiments, the first alignment element and the second alignment element have an electrical feedthrough in order to electrically connect the first optical circuit carrier to the second optical circuit carrier. The electrical feedthrough allows electrical components that can be provided in the optical circuit carrier arrangement to be electrically contacted with one another, even if these electrical components are arranged spatially separated from one another, partly on the first optical circuit carrier and partly on the second optical circuit carrier. The electrical leadthrough can be formed from a channel in each of the alignment elements, which is filled with an electrically conductive material, preferably with silver. In particular, the channel may be formed centrally through the alignment elements along the length of the alignment elements. The material can be filled into the respective channel as a paste when the alignment elements are provided on the circuit carriers and then hardened. An alternative option would be to incorporate grooves into the sidewalls of the alignment elements. The grooves or the channel could be filled with the conductive paste or a conductive adhesive in order to electrically connect the components to be electrically supplied, in particular chips, of the components of the other optical circuit carrier that supply power to one optical circuit carrier, if desired.

Bevorzugt ist, dass der erste optische Schaltungsträger zusätzlich ein drittes Ausrichtungselement aufweist und der zweite optische Schaltungsträger zusätzlich ein viertes Ausrichtungselement aufweist, das komplementär zu dem dritten Ausrichtungselement ausgebildet ist, und das dritte Ausrichtungselement mit dem vierten Ausrichtungselement in Eingriff steht, wodurch die ersten optischen Bauelemente mit den zweiten optischen Bauelementen zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind. Sind auf diese Weise vier - oder auch mehr - Ausrichtungselemente in der optischen Schaltungsträgeranordnung vorhanden, also mindestens zwei pro optischem Schaltungsträger, ist ein sicherer Schutz gegen Verdrehen des ersten Schaltungsträgers relativ zum zweiten Schaltungsträger bereitgestellt. Das dritte Ausrichtungselement kann, hinsichtlich der äußeren Gestalt, identisch geformt sein wie das zweite Ausrichtungselement. Dann ist das vierte Ausrichtungselement vorzugsweise identisch geformt wie das erste Ausrichtungselement. Das dritte Ausrichtungselement kann alternativ dazu identisch geformt sein wie das erste Ausrichtungselement. Dann ist das vierte Ausrichtungselement vorzugsweise identisch geformt wie das zweite Ausrichtungselement. Das dritte Ausrichtungselement kann in anderen Ausführungsformen alternativ aber unterschiedlich geformt sein als sowohl das erste Ausrichtungselement als auch das zweite Ausrichtungselement. Dann ist dennoch das vierte Ausrichtungselement komplementär zum dritten Ausrichtungselement ausgebildet, um in das dritte Ausrichtungselement eingreifen zu können. Von jedem der Ausrichtungselemente können eines oder mehrere bereitgestellt sein. Bevorzugt ist natürlich, dass zu jedem der Ausrichtungselemente ein komplementäres Ausrichtungselement bereitgestellt ist, um ineinander eingreifen zu können. Auch das dritte Ausrichtungselement und das vierte Ausrichtungselement können, zusätzlich oder alternativ, die optische Durchführung aufweisen. Es können auch weitere Ausrichtungselemente, insbesondere fünfte, sechste, usw., vorgesehen sein, die die eine oder aber keine elektrische Durchführung bereitstellen. Prinzipiell ist eine Anzahl der Ausrichtungselemente nur durch den Anwendungsfall und eine vorhandene Freifläche auf den optischen Schaltungsträgern beschränkt.It is preferred that the first optical circuit carrier additionally has a third alignment element and the second optical circuit carrier additionally has a fourth alignment element, which is designed to be complementary to the third alignment element, and the third alignment element engages with the fourth alignment element, whereby the first optical components aligned with the second optical components for light transmission between them. If, in this way, four—or more—alignment elements are present in the optical circuit carrier arrangement, ie at least two per optical circuit carrier, reliable protection against twisting of the first circuit carrier relative to the second circuit carrier is provided. The third alignment element can be shaped identically to the second alignment element with regard to the external shape. Then the fourth alignment element is preferably shaped identically to the first alignment element. Alternatively, the third alignment feature may be identically shaped to the first alignment feature. Then the fourth alignment element is preferably shaped identically to the second alignment element. The third alignment element may alternatively but differently shaped than both the first alignment element and the second alignment element in other embodiments. The fourth alignment element is then nevertheless designed to be complementary to the third alignment element in order to be able to engage in the third alignment element. One or more of each of the alignment elements may be provided. It is of course preferred that a complementary alignment element is provided for each of the alignment elements in order to be able to engage one another. Additionally or alternatively, the third alignment element and the fourth alignment element can also have the optical feedthrough. Further alignment elements, in particular fifth, sixth, etc., can also be provided, which provide one or no electrical feedthrough. In principle, the number of alignment elements is limited only by the application and an existing free area on the optical circuit carriers.

Einige Ausführungsformen sehen vor, dass der erste optische Schaltungsträger als die ersten optischen Bauelemente eine Vielzahl von Lichtleiterfasern aufweist und der zweite optische Schaltungsträger als die zweiten optischen Bauelemente eine photonische integrierte Schaltung aufweist und die photonische integrierte Schaltung mit der Vielzahl von Lichtleiterfasern zur Lichtübertragung zwischen der photonischen integrierten Schaltung und der Vielzahl von Lichtleiterfasern ausgerichtet ist. Das optimale Einkoppeln von Licht zwischen einer photonisch integrierten Schaltung und einer Vielzahl von Lichtleiterfasern stellt oft eine besondere Herausforderung dar, wenn die Vielzahl von Lichtleiterfasern auf einem ersten optischen Schaltungsträger angeordnet ist und die photonische integrierte Schaltung getrennt davon auf einem zweiten optischen Schaltungsträger angeordnet ist. Das Einkoppeln kann durch die Hilfsstrukturen in Form der zueinander komplementären Ausrichtungselemente mechanisch bzw. passiv erheblich erleichtert werden, sodass man nicht oder zumindest nicht nur auf eine aktive Ausrichtung durch aufwändige Beobachtung der übertragenen Lichtintensität angewiesen ist. Alternative Ausführungsformen sehen vor, dass statt der Vielzahl von Lichtleiterfasern auf dem ersten optischen Schaltungsträger eine Vielzahl von Oberflächenemittern als die ersten optischen Bauelemente bereitgestellt ist.Some embodiments provide that the first optical circuit carrier has a multiplicity of optical fibers as the first optical components and the second optical circuit carrier has a photonic integrated circuit as the second optical components and the photonic integrated circuit with the multiplicity of optical fibers for light transmission between the photonic integrated circuit and the plurality of optical fibers is aligned. The optimal coupling of light between a photonic integrated circuit and a large number of optical fibers often represents a particular challenge when the large number of optical fibers is arranged on a first optical circuit carrier and the photonic integrated circuit is arranged separately on a second optical circuit carrier. Coupling can be significantly facilitated mechanically or passively by the auxiliary structures in the form of mutually complementary alignment elements, so that one is not dependent, or at least not only dependent on active alignment by laborious observation of the transmitted light intensity. Alternative embodiments provide that instead of the multiplicity of optical fibers on the first optical circuit carrier, a multiplicity of surface emitters are provided as the first optical components.

Mindestens einer der optischen Schaltungsträger trägt in manchen Ausführungsformen Mikrolinsen, um die ersten optischen Bauelemente mit den zweiten optischen Bauelementen optisch zu koppeln. Neben der Herstellung von Hilfsstrukturen, also den Ausrichtungselementen, können gleichzeitig mit den Hilfsstrukturen auch zusätzliche kopplungsfördernde Strukturen wie Mikrolinsen hergestellt werden. Solche Mikrolinsen würden die Kopplung in Fällen, in denen die Modenfelder der Komponenten nicht perfekt aufeinander abgestimmt sind, weiter optimieren. Das heißt, die Mikrolinsen können dafür angeordnet sein, die optische Kopplung zwischen den ersten optischen Bauelementen und den zweiten optischen Bauelementen zu verbessern. Zu beachten ist, dass Mikrolinsen zwar auf jeder der Komponenten, also des ersten optischen Schaltungsträgers und des zweiten optischen Schaltungsträgers, hergestellt werden könnten, dass dies für die meisten Anwendungen jedoch nicht erforderlich ist, sondern dass die Herstellung der Mikrolinsen auf nur einem der beiden Schaltungsträger je nach Ausführungsform ausreichen kann.In some embodiments, at least one of the optical circuit carriers carries microlenses in order to connect the first optical components with the to optically couple second optical components. In addition to the production of auxiliary structures, that is to say the alignment elements, additional coupling-promoting structures such as microlenses can also be produced at the same time as the auxiliary structures. Such microlenses would further optimize coupling in cases where the component mode fields are not perfectly matched. That is, the microlenses can be arranged to improve the optical coupling between the first optical components and the second optical components. It should be noted that while microlenses could be fabricated on either of the components, i.e. the first optical circuit substrate and the second optical circuit substrate, this is not required for most applications, but rather the fabrication of the microlenses on only one of the two circuit substrates may be sufficient depending on the embodiment.

Vorzugsweise befinden sich der erste optische Schaltungsträger und der zweite optische Schaltungsträger - mindestens in einem Betriebsmodus - in einer gestapelten Konfiguration. Das bedeutet, dass zwei Hauptflächen, die die optischen Bauelemente tragen, der beiden optischen Schaltungsträger sich gegenüberliegend angeordnet sind. So kann die optische Schaltungsträgeranordnung eine große Nutzfläche auf geringer Grundfläche bereitstellen. Alternativ kann der erste optische Schaltungsträger benachbart zu dem zweiten optischen Schaltungsträger angeordnet sein. Das bedeutet, dass die Hauptflächen lateral angrenzend aneinander angeordnet sind. So erhöht sich bei gleicher Nutzfläche zwar die Grundfläche, aber die Bauhöhe ist reduziert. Sind die optischen Schaltungsträger benachbart zueinander angeordnet, sind die Ausrichtungselemente vorzugsweise lateral zwischen den beiden optischen Schaltungsträgern wirksam. Sind die optischen Schaltungsträger hingegen in der gestapelten Konfiguration angeordnet, sind die Ausrichtungselemente vorzugsweise zwischen den Hauptflächen der beiden optischen Schaltungsträger wirksam, die jeweils die optischen Bauelemente tragen, zwischen denen das Licht übertragen werden soll. Die Hauptflächen sind die flächenmäßig größten Flächen der optischen Schaltungsträger. Die optischen Schaltungsträger sind vorzugsweise in einer rechteckigen Form ausgebildet. Der erste optische Schaltungsträger kann bezogen auf seine Hauptfläche kleiner sein als der zweite optische Schaltungsträger. Allerdings können die beiden optischen Schaltungsträger auch gleich groß sein, bezogen auf ihre Hauptflächen. Geometrische Seitenverhältnisse der beiden optischen Schaltungsträger können, verglichen miteinander, gleich oder verschieden sein.Preferably, the first optical circuit substrate and the second optical circuit substrate are - at least in one mode of operation - in a stacked configuration. This means that two main surfaces, which carry the optical components, of the two optical circuit carriers are arranged opposite one another. In this way, the optical circuit carrier arrangement can provide a large usable area on a small base area. Alternatively, the first optical circuit carrier can be arranged adjacent to the second optical circuit carrier. This means that the main surfaces are arranged laterally adjacent to one another. Although the floor space is increased with the same usable area, the overall height is reduced. If the optical circuit carriers are arranged adjacent to one another, the alignment elements are preferably effective laterally between the two optical circuit carriers. On the other hand, when the optical circuit substrates are arranged in the stacked configuration, the alignment elements are preferably effective between the main surfaces of the two optical circuit substrates, each carrying the optical components between which the light is to be transmitted. The main surfaces are the largest surfaces of the optical circuit carrier in terms of surface area. The optical circuit substrates are preferably formed in a rectangular shape. The first optical circuit carrier can be smaller than the second optical circuit carrier in relation to its main area. However, the two optical circuit carriers can also be of the same size, based on their main surfaces. Geometric aspect ratios of the two optical circuit carriers can be the same or different compared to one another.

Anwendungsgebiet für die oben beschriebene Erfindung sind insbesondere photonische und integriert-optische Systeme, bei denen eine effiziente optische Kopplung erforderlich ist. Beispiel für solche Systeme sind bio-photonische Sensoren, die auf photonischen integrierten Schaltungen hergestellt werden, und daher auf einer solchen optischen Schaltungsträgeranordnung basieren können. Ein weiteres Beispiel für solche Systeme sind LiDAR-Sensoren, bei denen mehrere optische Eingänge erforderlich sind, und die daher vorteilhaft ebenfalls solche optische Schaltungsträgeranordnungen umfassen können. Areas of application for the invention described above are, in particular, photonic and integrated optical systems in which efficient optical coupling is required. Examples of such systems are bio-photonic sensors that are manufactured on photonic integrated circuits and can therefore be based on such an optical circuit carrier arrangement. Another example of such systems are LiDAR sensors, which require multiple optical inputs and which can therefore advantageously also include such optical circuit carrier arrangements.

Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei dem ein Bereitstellen von einem ersten Ausrichtungselement auf dem ersten optischen Schaltungsträger und einem zweiten Ausrichtungselement, das zu dem ersten Ausrichtungselement komplementär ausgebildet ist, auf dem zweiten optischen Schaltungsträger vorgesehen ist.According to the invention, a method of the type mentioned at the outset is also made available, in which provision is made of a first alignment element on the first optical circuit carrier and a second alignment element, which is designed to be complementary to the first alignment element, on the second optical circuit carrier.

Das Verfahren hat den Vorteil, dass eine vereinfachte Ausrichtung des ersten optischen Schaltungsträgers auf den zweiten optischen Schaltungsträger zur Lichtübertragung zwischen ihnen ermöglicht wird. Eine Kernverbesserung, die diese Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik bei den Verfahren zur Ausrichtung von Feldern optischer Komponenten bereitstellt, besteht darin, dass sie die Anforderungen an eine aktive Ausrichtung vollständig vermeidet und eine passive Ausrichtung zwischen den Komponenten ermöglicht. Durch die Möglichkeit der passiven (insbesondere mechanischen) anstelle der aktiven (insbesondere optischen) Ausrichtung wird die Montagezeit und damit die Gesamtkosten des integrierten optischen Systems reduziert. Mit einfachen Worten: Das vorgeschlagene Konzept verlagert die Sub-Mikrometer-Anforderungen vom Ausrichtungsprozess auf den Herstellungsprozess. Während Submikrometer immer eine Herausforderung darstellen, ist die Herstellung von Submikrometer-Strukturen, insbesondere mittels Lithographie, wesentlich einfacher als die Ausrichtung von zwei Komponenten, insbesondere den beiden optischen Schaltungsträgern, mit Submikrometer-Genauigkeit.The method has the advantage that a simplified alignment of the first optical circuit carrier to the second optical circuit carrier for light transmission between them is made possible. A key improvement that this invention provides over the prior art in methods of aligning arrays of optical components is that it completely eliminates the requirements for active alignment and allows for passive alignment between the components. The possibility of passive (in particular mechanical) instead of active (in particular optical) alignment reduces the assembly time and thus the overall costs of the integrated optical system. In simple terms, the proposed concept shifts the sub-micron requirements from the alignment process to the manufacturing process. While sub-microns are always a challenge, fabricating sub-micron structures, particularly using lithography, is much easier than aligning two components, particularly the two optical circuit substrates, with sub-micron accuracy.

In manchen Ausführungsformen sieht das Verfahren, nach dem Bereitstellen, Ausrichten des ersten optischen Schaltungsträgers mit dem zweiten optischen Schaltungsträger durch in Eingriff bringen des ersten Ausrichtungselements mit dem zweiten Ausrichtungselement vor. So kann ein passives Ausrichten der beiden optischen Schaltungsträger erreicht werden, ohne ein aufwändiges aktives Ausrichten vornehmen zu müssen. So wird eine Lichtübertragung zwischen den ersten optischen Bauteilen auf dem ersten optischen Schaltungsträger und den zweiten optischen Bauteilen auf dem zweiten optischen Schaltungsträger schnell und einfach ermöglicht.In some embodiments, the method provides, after providing, aligning the first optical circuit substrate with the second optical circuit substrate by engaging the first alignment feature with the second alignment feature. In this way, passive alignment of the two optical circuit carriers can be achieved without having to carry out complex active alignment. Thus, a light transmission between the first optical components on the first optical circuit substrate and the second optical components on the second optical circuit carrier quickly and easily.

Weiter kann in Ausführungsformen, insbesondere anschließend an das Ausrichten der Schaltungsträger, ein Fixieren der Position des ersten optischen Schaltungsträgers in Bezug auf den zweiten optischen Schaltungsträger erfolgen. So wird die Lichtübertragung dauerhaft sichergestellt, weil eine Relativverschiebung zwischen den beiden Schaltungsträgern, vorzugsweise stoffschlüssig, alternativ aber auch formschlüssig oder kraftschlüssig, vermieden wird. Hierzu kann beispielsweise ein Verkleben des ersten Ausrichtungselements mit dem zweiten Ausrichtungselement erfolgen. Ein Klebstoff kann zwischen den Ausrichtungselementen aufgetragen werden, da sie möglicherweise den einzigen Kontaktpunkt - oder die einzigen Kontaktpunkte, falls mehr als zwei Ausrichtungselemente vorgesehen sind - zwischen den beiden optischen Schaltungsträgern bilden. Weiter kann in den Ausrichtungselementen eine elektrische Durchführung bereitgestellt werden, vorzugsweise durch Verwenden eines elektrisch leitfähigen Materials, das in einen jeweiligen Kanal in den Ausrichtungselementen eingebracht wird.Furthermore, in embodiments, in particular subsequent to the alignment of the circuit carriers, the position of the first optical circuit carrier can be fixed in relation to the second optical circuit carrier. In this way, the transmission of light is permanently ensured because a relative displacement between the two circuit carriers, preferably with a material connection, but alternatively also with a positive or non-positive fit, is avoided. For this purpose, for example, the first alignment element can be glued to the second alignment element. An adhesive may be applied between the alignment features since they may form the only point of contact - or the only points of contact if more than two alignment features are provided - between the two optical circuit substrates. Furthermore, an electrical feedthrough may be provided in the alignment elements, preferably by using an electrically conductive material placed in a respective channel in the alignment elements.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Ausrichtungselemente, insbesondere erste, zweite, dritte und vierte Ausrichtungselemente, bereitgestellt werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, die Ausrichtungselemente während des Halbleiterherstellungsprozesses herzustellen, bei dem die photonische IC hergestellt wird. Dies kann entweder durch isotropes oder durch anisotropes Ätzen der Substrate erfolgen. Im Falle von Siliziumsubstraten ist ein möglicher Kandidat zur Herstellung der Ausrichtungsstrukturen die KOH-Ätzung. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Hilfsstrukturen während desselben Prozesses hergestellt werden können, der für die Herstellung der photonischen Komponenten verwendet wird, sodass keine zusätzlichen Fertigungsschritte erforderlich sind. Der Hauptnachteil besteht darin, dass er die verwendbaren Materialien einschränkt, da nur Materialien verwendet werden können, in denen komplementäre Strukturen hergestellt werden können. Alternativ zu diesen Verfahren kann zur Herstellung solcher Strukturen die dreidimensionale Lithographie durch Zwei-Photonen-Polymerisation verwendet werden. Der Hauptvorteil dieser Verfahren besteht darin, dass die Ausrichtungselemente mit einer Auflösung unterhalb von µm hergestellt werden können, was eine äußerst präzise Ausrichtung der optischen Komponenten ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von zwei photonischen Lithographien ist, dass fast keine Einschränkungen bezüglich der Materialien bestehen. Der Hauptnachteil ist die Tatsache, dass dies zusätzliche Fertigungsschritte, nach der Fertigung der photonischen ICs (back oft he line process) erfordern würde.There are various ways in which the alignment elements, in particular first, second, third and fourth alignment elements, can be provided. One possibility is to fabricate the alignment features during the semiconductor fabrication process where the photonic IC is fabricated. This can be done either by isotropic or by anisotropic etching of the substrates. In the case of silicon substrates, a possible candidate for producing the alignment structures is the KOH etch. The main advantage of this approach is that the support structures can be fabricated during the same process used to fabricate the photonic components, eliminating the need for additional fabrication steps. The main disadvantage is that it limits the materials that can be used, since only materials in which complementary structures can be made can be used. As an alternative to these methods, three-dimensional lithography by two-photon polymerization can be used to produce such structures. The main advantage of these methods is that the alignment features can be fabricated with sub-micron resolution, allowing for extremely precise alignment of the optical components. Another advantage of using two photonic lithographies is that there are almost no restrictions on the materials. The main disadvantage is the fact that this would require additional manufacturing steps after the photonic ICs are manufactured (back of the line process).

Nachdem die Hilfskonstruktionen auf beiden Komponenten hergestellt bzw. bereitgestellt wurden, können die Komponenten einfach übereinander gelegt werden. Dann gleiten die Ausrichtungselemente aufgrund der komplementären Form der Ausrichtungselemente (vorzugsweise konisch komplementär), selbst wenn die Strukturen nicht perfekt ausgerichtet sind, „in ihre korrekte Position“. Daher können die Ausrichtungsanforderungen von sub-µm reduziert werden. Die von diesen Strukturen erreichten Ausrichtungsanforderungen hängen von den Abmessungen der Strukturen selbst ab. Und die beste erreichbare Ausrichtung wird durch die Abmessungen der „Spitze des Kegels“ begrenzt. Je schmaler die Spitze, desto besser ist die erreichbare Ausrichtung. Aufgrund der konischen bzw. kegelförmigen Form der Ausrichtungsstrukturen erleichtern sie die passive Ausrichtung zwischen den beiden Komponenten und reduzieren auf diese Weise die Ausrichtungsanforderungen von Submikrometer bis in den Bereich um die 10 µm.After the auxiliary constructions have been produced or provided on both components, the components can simply be placed on top of each other. Then, even if the structures are not perfectly aligned, the alignment features "slide into their correct position" due to the complementary shape of the alignment features (preferably conical complementary). Therefore, sub-micron alignment requirements can be reduced. The alignment requirements achieved by these structures depend on the dimensions of the structures themselves. And the best alignment achievable is limited by the dimensions of the "top of the cone". The narrower the tip, the better the alignment that can be achieved. Due to the conical shape of the alignment structures, they facilitate passive alignment between the two components, thereby reducing the alignment requirements from submicron to around 10 µm.

Im Folgenden wird das vorgeschlagene Konzept anhand zweier beispielhafter Anwendungen vorgestellt, nämlich der Kopplung eines Faserfeldes an einen photonischen IC und der Kopplung eines VCSEL-Feldes an einen photonischen IC. Es ist jedoch zu beachten, dass die Umsetzung des Konzepts nicht auf die vorgestellten Anwendungen beschränkt werden soll, sondern in unendlich vielen anderen Systemen eingesetzt werden kann, bei denen passive Ausrichtung zwischen zwei optischen Komponenten erforderlich ist. Beispielsweise könnte das Konzept, basierend auf den gleichen Komponenten, die in den beispielhaften Anwendungen vorgestellt wurden, auch zur Kopplung von Licht aus einem VCSEL-Feld an ein Feld von optischen Fasern verwendet werden.In the following, the proposed concept is presented using two exemplary applications, namely the coupling of a fiber array to a photonic IC and the coupling of a VCSEL array to a photonic IC. However, it should be noted that the implementation of the concept should not be limited to the presented applications, but can be used in infinitely many other systems where passive alignment between two optical components is required. For example, the concept could also be used to couple light from a VCSEL array to an optical fiber array based on the same components presented in the example applications.

Um eine passive Ausrichtung zwischen einem Faserfeld und einem photonischen IC sowie zwischen einem Feld von VCSELs und einem photonischen IC zu ermöglichen, muss der Abstand zwischen den Lichteintrittspositionen des photonischen ICs mit der Lichtaustrittsposition des Faserfeldes / des VCSEL-Feldes übereinstimmen.To enable passive alignment between a fiber array and a photonic IC, and between an array of VCSELs and a photonic IC, the distance between the light entry positions of the photonic IC must match the light exit position of the fiber array/VCSEL array.

Das Verfahren zur passiven Ausrichtung besteht vorzugsweise aus zwei Hauptschritten:

A. Herstellen von Hilfsstrukturen.
B. Platzieren des Faserfeldes / VCSEL-Feldes auf dem photonischen IC und Fixieren der Position durch Kleben (oder ein anderes Verfahren)

The passive alignment procedure preferably consists of two main steps:

A. Making auxiliary structures.
B. Place the fiber array / VCSEL array on the photonic IC and fix the position by gluing (or other method)

Im Folgenden werden bevorzugte Schritte für das Verfahren vorgestellt, um zunächst die für die passive Ausrichtung erforderlichen Hilfsstrukturen bereitzustellen. Das Verfahren besteht in dieser Hinsicht vorzugsweise aus vier Schritten:

1. Identifizieren der genauen Lichteintrittsposition(en) auf dem photonischen IC und Messung der Positionen, an denen die Hilfsstrukturen hergestellt werden sollen.
2. Herstellen der komplementären Hilfsstrukturen (z.B. durch Zwei-Photonen-Lithographie) auf dem photonischen IC entsprechend den im vorherigen Schritt gemessenen Positionen.
3. Identifizieren der Lichtaustrittspositionen des Faserfeldes / des VCSEL-Feldes und Messung der Position, an der die Hilfsstrukturen hergestellt werden sollen.
4. Herstellen der Hilfsstrukturen (z.B. durch Zwei-Photonen-Lithographie) auf dem Faserfeld / dem VCSEL-Feld entsprechend den im vorherigen Schritt gemessenen Positionen.

In the following, preferred steps for the method are presented, in order to start with those for the provide passive alignment required auxiliary structures. In this regard, the method preferably consists of four steps:

1. Identify the exact light entry position(s) on the photonic IC and measure the positions where the auxiliary structures are to be fabricated.
2. Fabrication of the complementary auxiliary structures (e.g. by two-photon lithography) on the photonic IC according to the positions measured in the previous step.
3. Identifying the light exit positions of the fiber array/VCSEL array and measuring the position where the auxiliary structures are to be fabricated.
4. Fabricate the auxiliary structures (e.g. by two-photon lithography) on the fiber array / VCSEL array according to the positions measured in the previous step.

Das Identifizieren der Lichtein- und -ausgangspositionen kann entweder durch Ausrichtungsmarkierungen erfolgen, die während der Herstellung der optischen Komponenten angebracht werden, oder alternativ durch aktive Kontrolle der Kopplungspositionen. Da die aktive Steuerung der Kopplungspositionen das Einschalten der Lichtquellen erfordert, ist die Verwendung von zuvor hergestellten Ausrichtmarkierungen vorzuziehen. Die Erfindung sollte jedoch nicht auf optische Komponenten beschränkt werden, in die Ausrichtmarkierungen eingefügt wurden.Identifying the light input and output positions can be done either by alignment marks placed during manufacture of the optical components, or alternatively by actively controlling the coupling positions. Since active control of the docking positions requires turning on the light sources, the use of prefabricated alignment marks is preferable. However, the invention should not be limited to optical components into which alignment marks have been introduced.

Verschiedene Phasen des vorgeschlagenen Ausrichtungsprozesses, insbesondere des Bereitstellens der Ausrichtungselemente, können also allgemein sein:

A) Identifizieren der Lichteinkopplungsposition auf dem zweiten optischen Schaltungsträger, insbesondere in der photonischen integrierten Schaltung (PIC).
B) Herstellen der Hilfsstrukturen an den identifizierten Positionen auf dem zweiten optischen Schaltungsträger.
C) Identifizieren der Lichteinkopplungsposition auf dem ersten optischen Schaltungsträger, insbesondere im Faserfeld oder im VCSEL-Feld.
D) Herstellen der Hilfsstrukturen auf den identifizierten Positionen auf dem ersten optischen Schaltungsträger.

Different phases of the proposed alignment process, in particular the provision of the alignment elements, can thus be general:

A) Identifying the light launch position on the second optical circuit substrate, particularly in the photonic integrated circuit (PIC).
B) producing the auxiliary structures at the identified positions on the second optical circuit carrier.
C) Identifying the light coupling position on the first optical circuit carrier, in particular in the fiber array or in the VCSEL array.
D) producing the auxiliary structures on the identified positions on the first optical circuit carrier.

Sobald die Hilfsstrukturen hergestellt sind, vorzugsweise durch 3D-Druck, kann eine konventionelle Positioniermaschine verwendet werden, um das Faserfeld / das VCSEL-Feld auf dem photonischen IC, also den ersten optischen Schaltungsträger auf dem zweiten optischen Schaltungsträger, zu platzieren. Beim Verwenden der Hilfsstrukturen sind die Ausrichtungsanforderungen durch die Abmessungen der Strukturen selbst gegeben. Das heißt, je größer die Strukturen sind, desto entspannter sind die Anforderungen an das Ausrichten. Die Hilfsstrukturen können etwa 20 µm breit und 20 µm hoch bzw. lang bereitgestellt werden. Strukturen mit diesen Abmessungen würden zu Ausrichtungsanforderungen im Bereich der halben Strukturbreite, d.h. etwa 10 µm führen, was mit herkömmlichen Positionierungswerkzeugen, wie z.B. Feinsetzern, leicht erreicht werden kann (beachten Sie, dass die genannten Strukturabmessungen nur als Beispiel dienen und die Abmessungen beliebig gewählt werden können). Um jedoch zu gewährleisten, dass auch bei Fluchtungsfehlern zwischen den Hilfsstrukturen die Positioniermaschine nicht abstürzt und die Strukturen zerstört, sollten so genannte Kontaktkraftverfahren eingesetzt werden. Bei diesen Verfahren werden die Strukturen bis zum Erreichen einer vorgegebenen Kraft einander angenähert. Aufgrund der konischen, d.h. kegelförmigen Form der Hilfskonstruktionen können die Komponenten automatisch an ihren Platz (d.h. an die Stelle, an der beispielsweise der Kegel und der inverse Kegel zusammenfallen) gleiten. Da die Hilfsstrukturen lithografisch hergestellt werden, haben sie eine Genauigkeit von sub-µm, was zu einer sub-µm Kontrolle der Position zwischen den Komponenten führt.Once the auxiliary structures are fabricated, preferably by 3D printing, a conventional positioning machine can be used to place the fiber array / VCSEL array on the photonic IC, i.e. the first optical circuit substrate on the second optical circuit substrate. When using the assist structures, the alignment requirements are given by the dimensions of the structures themselves. That is, the larger the structures, the more relaxed the alignment requirements. The auxiliary structures can be provided with a width of about 20 μm and a height or length of 20 μm. Structures with these dimensions would lead to alignment requirements in the range of half the structure width, i.e. around 10 µm, which can easily be achieved with conventional positioning tools such as finesetters (note that the structure dimensions mentioned are only examples and the dimensions can be chosen arbitrarily be able). However, in order to ensure that the positioning machine does not crash and destroy the structures even in the event of misalignment between the auxiliary structures, so-called contact force methods should be used. With this method, the structures are brought closer together until a specified force is reached. Due to the conical, i.e. cone-shaped form of the auxiliary constructions, the components can automatically slide into place (i.e. into the place where, for example, the cone and the inverse cone coincide). Because the support structures are lithographically fabricated, they have sub-µm accuracy, resulting in sub-µm control of position between components.

Mit Hilfe von Hilfsstrukturen wird eine passive Ausrichtung zwischen beiden Komponenten, also den beiden optischen Schaltungsträgern, somit wie folgt ermöglicht:

A) ersten Schaltungsträger, vorzugsweise mit Faserfeld oder VCSEL-Feld als erste optische Bauelemente, mit herkömmlichen Positioniermaschinen grob auf dem zweiten optischen Schaltungsträger, vorzugsweise mit photonischem IC als zweite optische Bauelemente, platzieren.
B) ersten Schaltungsträger in Kontakt mit dem zweiten Schaltungsträger bringen, indem der Abstand zwischen den Schaltungsträgern verringert wird.
C) ersten Schaltungsträger an die richtige Stelle gleiten lassen, wodurch eine passive Ausrichtung zwischen beiden optischen Schaltungsträgern ermöglicht wird.

With the help of auxiliary structures, passive alignment between the two components, i.e. the two optical circuit carriers, is made possible as follows:

A) Roughly place the first circuit carrier, preferably with a fiber array or VCSEL array as the first optical components, using conventional positioning machines on the second optical circuit carrier, preferably with a photonic IC as the second optical components.
B) bringing the first circuit carrier into contact with the second circuit carrier by reducing the distance between the circuit carriers.
C) Sliding the first circuit carrier into place, allowing passive alignment between both optical circuit carriers.

Darüber hinaus kann in Ausführungsformen durch Ändern der Abmessungen der Hilfsstrukturen der Winkel zwischen den beiden Schaltungsträgern verändert werden:

A) ersten optischen Schaltungsträger mit herkömmlichen Positioniermaschinen grob auf dem zweiten optischen Schaltungsträger platzieren.
B) zweiten optischen Schaltungsträger an die richtige Stelle gleiten lassen, sodass er im richtigen Winkel in Bezug auf den jeweiligen zweiten optischen Schaltungsträger platziert wird, wodurch eine passive Ausrichtung zwischen den beiden optischen Komponenten ermöglicht wird.

In addition, the angle between the two circuit carriers can be changed in embodiments by changing the dimensions of the auxiliary structures:

A) roughly on the first optical circuit carrier with conventional positioning machines place the second optical circuit board.
B) Sliding the second optical circuit substrate into place so that it is placed at the right angle with respect to the respective second optical circuit substrate, thereby allowing passive alignment between the two optical components.

Weitere mögliche Verfahrensschritte und ihre Vorteile ergeben sich mutatis mutandis aus der obigen Beschreibung der optischen Schaltungsträgeranordnung, auf die an dieser Stelle verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.Further possible method steps and their advantages result mutatis mutandis from the above description of the optical circuit carrier arrangement, to which reference is made at this point in order to avoid repetition.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims and described in the description.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf einen ersten optischen Schaltungsträger und einen zweiten optischen Schaltungsträger einer optischen Schaltungsträgeranordnung nach der Erfindung in einer aufgeklappten Konfiguration,
2 einen Querschnitt eines ersten Ausrichtungselements und eines zweiten Ausrichtungselements aus der optischen Schaltungsträgeranordnung aus 1 in einer gestapelten Konfiguration,
3 einen Querschnitt durch die optische Schaltungsträgeranordnung aus 1 in der gestapelten Konfiguration,
4 einen Querschnitt durch eine optische Schaltungsträgeranordnung nach einer zweiten Ausführungsform in der gestapelten Konfiguration,
5 einen Querschnitt eines ersten Ausrichtungselements und eines zweiten Ausrichtungselements einer optischen Schaltungsträgeranordnung nach einer dritten Ausführungsform in der gestapelten Konfiguration,
6 eine Detailansicht eines Querschnitts durch die optische Schaltungsträgeranordnung nach einer vierten Ausführungsform,
7 eine Detailansicht eines Querschnitts durch die optische Schaltungsträgeranordnung nach einer fünften Ausführungsform,
8 eine Detailansicht eines Querschnitts durch die optische Schaltungsträgeranordnung nach einer sechsten Ausführungsform, und
9 ein Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description. Show it:

1 a top view of a first optical circuit carrier and a second optical circuit carrier of an optical circuit carrier arrangement according to the invention in an unfolded configuration,
2 Figure 12 shows a cross section of a first alignment element and a second alignment element from the optical circuit carrier assembly 1 in a stacked configuration,
3 a cross section through the optical circuit carrier arrangement 1 in the stacked configuration,
4 a cross section through an optical circuit carrier arrangement according to a second embodiment in the stacked configuration,
5 a cross section of a first alignment element and a second alignment element of an optical circuit carrier assembly according to a third embodiment in the stacked configuration,
6 a detailed view of a cross section through the optical circuit carrier arrangement according to a fourth embodiment,
7 a detailed view of a cross section through the optical circuit carrier arrangement according to a fifth embodiment,
8th a detailed view of a cross section through the optical circuit carrier arrangement according to a sixth embodiment, and
9 a method according to an embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist eine optische Schaltungsträgeranordnung 1 in einer X-Y-Ebene gezeigt, die einen ersten optischen Schaltungsträger 2 und einen zweiten optischen Schaltungsträger 3 aufweist. 1 zeigt genauer gesagt eine Draufsicht, aus einer Z-Richtung, auf den ersten optischen Schaltungsträger 2 und den zweiten optischen Schaltungsträger 3 der optischen Schaltungsträgeranordnung 1 nach der Erfindung in einer aufgeklappten Konfiguration. In einem Betriebszustand, in dem Licht zwischen den beiden optischen Schaltungsträgern 2, 3 übertragen wird, befinden sich der erste optische Schaltungsträger 2 und der zweite optische Schaltungsträger 3 nach dieser Ausführungsform allerdings in einer gestapelten Konfiguration. Der erste optische Schaltungsträger 2 und der zweite optische Schaltungsträger 3 sind in 1 jedoch zur besseren Beschreibung in der aufgeklappten Konfiguration gezeigt.In the 1 an optical circuit carrier arrangement 1 is shown in an XY plane, which has a first optical circuit carrier 2 and a second optical circuit carrier 3 . 1 shows more specifically a plan view, from a Z-direction, of the first optical circuit carrier 2 and the second optical circuit carrier 3 of the optical circuit carrier arrangement 1 according to the invention in an unfolded configuration. According to this embodiment, however, in an operating state in which light is transmitted between the two optical circuit substrates 2, 3, the first optical circuit substrate 2 and the second optical circuit substrate 3 are in a stacked configuration. The first optical circuit carrier 2 and the second optical circuit carrier 3 are in 1 but shown in the unfolded configuration for better description.

Erste optische Bauelemente 4 sind auf dem ersten Schaltungsträger 2 angeordnet. Zweite optische Bauelemente 5 sind auf dem zweiten Schaltungsträger 3 angeordnet. Der erste optische Schaltungsträger 2 weist als die ersten optischen Bauelemente 4 eine Vielzahl von Lichtleiterfasern 6 auf. Hier sind sechs Lichtleiterfasern 6 beispielhaft parallel angeordnet und bilden ein Faserfeld. Der zweite optische Schaltungsträger 3 weist als die zweiten optischen Bauelemente 5 eine photonische integrierte Schaltung auf. Die photonische Integrierte Schaltung enthält hier beispielhaft eine Vielzahl von Gitterkopplern 7, hier ebenfalls genau sechs. Die Gitterkoppler 7 und die Lichtleiterfasern 6 sollen im Betriebszustand jeweils paarweise zur Lichtübertragung zwischen ihnen eingerichtet sein. Die Vielzahl von Gitterkopplern 7 ist deshalb mit der Vielzahl von Lichtleiterfasern 6 zur Lichtübertragung zwischen der Vielzahl von Gitterkopplern 7 und der Vielzahl von Lichtleiterfasern 6 ausgerichtet, sobald der erste optische Schaltungsträger 2 und der zweite optische Schaltungsträger 3 aus der aufgeklappten Konfiguration in eine gestapelte Konfiguration gebracht sind, wodurch dann die ersten optischen Bauelemente 4 mit den zweiten optischen Bauelementen 5 zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind.First optical components 4 are arranged on the first circuit carrier 2 . Second optical components 5 are arranged on the second circuit carrier 3 . The first optical circuit carrier 2 has a multiplicity of optical fibers 6 as the first optical components 4 . Here, six optical fibers 6 are arranged in parallel, for example, and form a fiber array. The second optical circuit carrier 3 has a photonic integrated circuit as the second optical components 5 . The photonic integrated circuit contains here, for example, a large number of grating couplers 7, here also exactly six. The grating couplers 7 and the optical fibers 6 should each be set up in pairs for light transmission between them in the operating state. The plurality of grating couplers 7 are therefore aligned with the plurality of optical fibers 6 for light transmission between the plurality of grating couplers 7 and the plurality of optical fibers 6 once the first optical circuit substrate 2 and the second optical circuit substrate 3 are brought from the unfolded configuration to a stacked configuration are, whereby the first optical components 4 are then aligned with the second optical components 5 for light transmission between them.

Der erste optische Schaltungsträger 2 weist ein erstes Ausrichtungselement 8a, 8b auf. Der zweite optische Schaltungsträger 3 weist ein zweites Ausrichtungselement 9a, 9b auf, das komplementär zu dem ersten Ausrichtungselement 8a, 8b ausgebildet ist. In der gestapelten Konfiguration steht, wie unten anhand von 3 genauer veranschaulicht, das erste Ausrichtungselement 8a, 8b mit dem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b in Eingriff, sodass die ersten optischen Bauelemente 4 mit den zweiten optischen Bauelementen 5 zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind. So ist eine passive, mechanische Ausrichtung der ersten optischen Bauelemente 4 und der zweiten optischen Bauelemente 5 zueinander erschaffen, die schnell und einfach durchführbar ist.The first optical circuit carrier 2 has a first alignment element 8a, 8b. The second optical circuit carrier 3 has a second alignment element 9a, 9b, which is designed to complement the first alignment element 8a, 8b. In the stacked configuration, as shown below using 3 more specifically illustrates the first alignment element 8a, 8b with the two th alignment element 9a, 9b engaged so that the first optical components 4 are aligned with the second optical components 5 for light transmission between them. A passive, mechanical alignment of the first optical components 4 and the second optical components 5 with one another is thus created, which can be carried out quickly and easily.

Der erste optische Schaltungsträger 2 weist zusätzlich ein drittes Ausrichtungselement 10a, 10b auf. Der zweite optische Schaltungsträger 3 weist zusätzlich ein viertes Ausrichtungselement 11a, 11b auf, das komplementär zu dem dritten Ausrichtungselement 10a, 10b ausgebildet ist. Das dritte Ausrichtungselement 10a, 10b steht - in der gestapelten Konfiguration - mit dem vierten Ausrichtungselement 11a, 11b in Eingriff, wodurch die ersten optischen Bauelemente 4 mit den zweiten optischen Bauelementen 5 zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet sind. Im Ausführungsbeispiel aus 1 ist das dritte Ausrichtungselement 10a, 10b, hinsichtlich seiner äußeren Gestalt, identisch mit dem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b ausgeführt. Das vierte Ausrichtungselement 11a, 11b ist hinsichtlich seiner äußeren Gestalt identisch mit dem ersten Ausrichtungselement 8a, 8b ausgeführt. So wird ein Verdrehschutz der beiden optischen Schaltungsträger 2, 3 zueinander erreicht. Wie in 1 gezeigt, sind in dieser beispielhaften optischen Schaltungsträgeranordnung 1 für verbesserte Stabilität je zwei Paare von ersten Ausrichtungselementen 8a, 8b und zweiten Ausrichtungselementen 9a, 9b und zwei Paare von dritten Ausrichtungselementen 10a, 10b und vierten Ausrichtungselementen 11a, 11b bereitgestellt. Anders ausgedrückt, es sind zwei erste Ausrichtungselemente 8a, 8b bereitgestellt, die jeweils zweiten Ausrichtungselementen 9a, 9b zugeordnet sind und in der gestapelten Konfiguration mit diesen in Eingriff stehen. Es sind weiter zwei dritte Ausrichtungselemente 10a, 10b bereitgestellt, die jeweils vierten Ausrichtungselementen 11a, 11b zugeordnet sind und in der gestapelten Konfiguration mit diesen in Eingriff stehen. Auf jedem der beiden optischen Schaltungsträger 2, 3 wechseln sich die ersten Ausrichtungselemente 8a, 8b und die dritten Ausrichtungselemente 10a, 10b bzw. die zweiten Ausrichtungselemente 9a, 9b und die vierten Ausrichtungselemente 11a, 11b entlang einer Umfangslinie des jeweiligen Schaltungsträgers 2, 3 ab, sodass auf jedem der beiden optischen Schaltungsträger 2, 3 immer zwei Ausrichtungselemente von verschiedener äußerer Gestalt einander benachbart angeordnet sind.The first optical circuit carrier 2 additionally has a third alignment element 10a, 10b. The second optical circuit carrier 3 additionally has a fourth alignment element 11a, 11b, which is designed to complement the third alignment element 10a, 10b. The third alignment element 10a, 10b engages - in the stacked configuration - the fourth alignment element 11a, 11b whereby the first optical components 4 are aligned with the second optical components 5 for light transmission between them. In the exemplary embodiment 1 the third alignment element 10a, 10b is identical in terms of its external shape to the second alignment element 9a, 9b. The fourth alignment element 11a, 11b is identical to the first alignment element 8a, 8b in terms of its external shape. In this way, the two optical circuit carriers 2, 3 are protected against twisting relative to one another. As in 1 shown, two pairs of first alignment elements 8a, 8b and second alignment elements 9a, 9b and two pairs of third alignment elements 10a, 10b and fourth alignment elements 11a, 11b are provided in this exemplary optical circuit carrier arrangement 1 for improved stability. In other words, two first alignment elements 8a, 8b are provided, each associated with and engaging second alignment elements 9a, 9b in the stacked configuration. There are further provided two third alignment elements 10a, 10b, each associated with and engaging fourth alignment elements 11a, 11b in the stacked configuration. On each of the two optical circuit carriers 2, 3, the first alignment elements 8a, 8b and the third alignment elements 10a, 10b or the second alignment elements 9a, 9b and the fourth alignment elements 11a, 11b alternate along a peripheral line of the respective circuit carrier 2, 3, so that on each of the two optical circuit carriers 2, 3 there are always two alignment elements of different external shape arranged adjacent to one another.

2 zeigt einen Querschnitt des ersten Ausrichtungselements 8a, 8b und des zweiten Ausrichtungselements 9a, 9b aus der optischen Schaltungsträgeranordnung 1 aus 1 in einer gestapelten Konfiguration. Genauer gesagt ist ein Moment des Stapelns veranschaulicht, in dem das erste Ausrichtungselement 8a, 8b mit dem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b in Eingriff kommt. Diese Detailansicht ist senkrecht zu der in 1 gewählt. Das erste Ausrichtungselement 8a, 8b bildet einen Vorsprung aus. Genauer gesagt ist das erste Ausrichtungselement 8a, 8b als Kegel ausgebildet. Das heißt, es weist eine kreisförmige Grundfläche auf, von der sich eine spitz zulaufende geometrische Gestaltung kegelförmig erstreckt. Das zweite Ausrichtungselement 9a, 9b weist eine komplementäre Aussparung zur Aufnahme des Vorsprungs auf. Die Aussparung ist dementsprechend eine kegelförmige Aussparung mit kreisrunder Randfläche. Durch die geneigten, spitz zulaufenden Wände der ersten Ausrichtungselemente 8a, 8b und der zweiten Ausrichtungselemente 9a, 9b wird ein leichter lateraler Versatz zwischen diesen automatisch korrigiert, wenn der erste optische Schaltungsträger 2 zunehmend näher an den zweiten optischen Schaltungsträger 3 herangeführt wird. Das erste Ausrichtungselement 8a, 8b weist eine Länge im Bereich zwischen 10 µm und 30 µm auf, hier genau 20 µm. 2 FIG. 1 shows a cross section of the first alignment element 8a, 8b and the second alignment element 9a, 9b from the optical circuit carrier arrangement 1. FIG 1 in a stacked configuration. More precisely, a moment of stacking is illustrated, in which the first alignment element 8a, 8b engages the second alignment element 9a, 9b. This detail view is perpendicular to the one in 1 chosen. The first alignment element 8a, 8b forms a projection. More precisely, the first alignment element 8a, 8b is designed as a cone. That is, it has a circular base from which a tapered geometric configuration extends in a cone shape. The second alignment element 9a, 9b has a complementary recess for receiving the projection. Accordingly, the recess is a conical recess with a circular edge surface. Due to the inclined, tapering walls of the first alignment elements 8a, 8b and the second alignment elements 9a, 9b, a slight lateral offset between these is automatically corrected when the first optical circuit carrier 2 is increasingly brought closer to the second optical circuit carrier 3. The first alignment element 8a, 8b has a length in the range between 10 μm and 30 μm, here exactly 20 μm.

3 zeigt einen Querschnitt durch die optische Schaltungsträgeranordnung 1 aus 1 in der gestapelten Konfiguration. Der Querschnitt ist in einer Z-X-Ebene durchgeführt, sodass die optische Schaltungsträgeranordnung 1 aus einer Y-Richtung betrachtet wird. Dadurch, dass der erste optische Schaltungsträger 2 das erste Ausrichtungselement 8a, 8b aufweist und der zweite optische Schaltungsträger 3 das zweite Ausrichtungselement 9a, 9b aufweist, das komplementär zu dem ersten Ausrichtungselement 8a, 8b ausgebildet ist, und das erste Ausrichtungselement 8a, 8b mit dem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b in Eingriff steht, sind die ersten optischen Bauelemente 4 mit den zweiten optischen Bauelementen 5 zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet. Der erste optische Schaltungsträger 2 weist zusätzlich das dritte Ausrichtungselement 10a, 10b auf und der zweite optische Schaltungsträger 3 weist zusätzlich das vierte Ausrichtungselement 11a, 11b auf, das komplementär zu dem dritten Ausrichtungselement 10a, 10b ausgebildet ist, und das dritte Ausrichtungselement 10a, 10b steht mit dem vierten Ausrichtungselement 11a, 11b in Eingriff. 3 FIG. 1 shows a cross section through the optical circuit carrier arrangement 1 1 in the stacked configuration. The cross section is taken on a ZX plane, so that the optical circuit substrate assembly 1 is viewed from a Y direction. The fact that the first optical circuit carrier 2 has the first alignment element 8a, 8b and the second optical circuit carrier 3 has the second alignment element 9a, 9b, which is designed to complement the first alignment element 8a, 8b, and the first alignment element 8a, 8b with the second alignment member 9a, 9b, the first optical components 4 are aligned with the second optical components 5 for light transmission between them. The first optical circuit carrier 2 additionally has the third alignment element 10a, 10b and the second optical circuit carrier 3 additionally has the fourth alignment element 11a, 11b, which is designed to be complementary to the third alignment element 10a, 10b, and the third alignment element 10a, 10b stands engaged with the fourth alignment member 11a, 11b.

Wie in 4 wieder aus der Y-Richtung zu sehen, ist in manchen Ausführungsformen ein zusätzlicher Vorteil, dass die Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b so hergestellt sein können, dass sie auch die Winkelausrichtung zwischen den Komponenten, also dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und dem zweiten optischen Schaltungsträger 3, erleichtern. Betrachtet man z.B. ein Feld von Oberflächenemittern 12 auf dem ersten optischen Schaltungsträger 2, die in einem gewissen Winkel in Bezug auf den photonischen IC des zweiten optischen Schaltungsträgers 4 ausgerichtet werden müssen, so können die Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b mit unterschiedlichen Abmessungen hergestellt werden, sodass sie, sobald sie zusammengebracht wurden, im gewünschten Winkel passen. So wird in 4 erreicht, dass der erste optische Schaltungsträger 2 und der zweite optische Schaltungsträger 3 durch die ersten Ausrichtungselemente 8a, 8b und die zweiten Ausrichtungselemente 9a, 9b in Bezug zueinander geneigt angeordnet sind. Hier ist weiter das dritte Ausrichtungselement 10a, 10b nicht nur geneigt in Bezug auf seinen tragenden ersten optischen Schaltungsträger 2, sondern auch länger als das zweite Ausrichtungselement 9a, 9b ausgebildet, um den erhöhten Abstand zwischen dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 auf der rechten Seite vollständig zu überbrücken. Das erste Ausrichtungselement 8a, 8b und das vierte Ausrichtungselement 11 a, 11b sind von ihrer äußeren Gestalt her identisch als Kegel ausgeführt und haben beide eine Länge von 20 µm. Das erste Ausrichtungselement 8a, 8b ist ebenso in Bezug auf den ersten optischen Schaltungsträger 2 leicht geneigt an diesem bereitgestellt, um mit dem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b trotz der Neigung zwischen den beiden optischen Schaltungsträgern 2, 3 zusammenzupassen. Das zweite Ausrichtungselement 9a, 9b und das vierte Ausrichtungselement 11a, 11b stehen hingegen senkrecht von dem sie tragenden zweiten optischen Schaltungsträger 3 hervor.As in 4 again seen from the Y-direction, in some embodiments an additional advantage is that the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b can be made to also change the angular alignment between the components, i.e the first optical circuit substrate 2 and the second optical circuit substrate 3. Considering, for example, an array of surface emitters 12 on the first optical circuit substrate 2, which are at a certain angle with respect to the photonic IC of the two th optical circuit substrate 4 has to be aligned, the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b can be made with different dimensions so that once brought together they fit at the desired angle. So will in 4 achieves that the first optical circuit carrier 2 and the second optical circuit carrier 3 are arranged inclined in relation to one another by the first alignment elements 8a, 8b and the second alignment elements 9a, 9b. Here, the third alignment element 10a, 10b is not only inclined in relation to its supporting first optical circuit carrier 2, but also longer than the second alignment element 9a, 9b in order to accommodate the increased distance between the first optical circuit carrier 2 and the second optical circuit carrier 3 completely bridge on the right side. The first alignment element 8a, 8b and the fourth alignment element 11a, 11b have an identical outer shape as a cone and both have a length of 20 μm. The first alignment element 8a, 8b is also provided on the first optical circuit substrate 2 slightly inclined thereto in order to mate with the second alignment element 9a, 9b despite the inclination between the two optical circuit substrates 2, 3. The second alignment element 9a, 9b and the fourth alignment element 11a, 11b, on the other hand, protrude perpendicularly from the second optical circuit carrier 3 carrying them.

In einigen Fällen sind, beispielsweise, Oberflächenemitter 12 auf dem ersten optischen Schaltungsträger 2 über den photonischen IC auf dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 elektrisch verbunden. Diese elektrische Verbindung erfolgt in der Regel über Cu-Säulen oder ähnliche Strukturen. Da es im Rahmen der vorgeschlagenen Erfindung möglich ist, dass der einzige Kontaktpunkt zwischen dem photonischen IC und dem Feld von Oberflächenemittern 12 die Hilfsstrukturen, also die Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, sind, können diese in diesem Fall eine elektrische Verbindung zwischen beiden Strukturen ermöglichen. Daher werden die Hilfsstrukturen in Ausführungsformen unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials 13 hergestellt, oder die Strukturen können so modifiziert werden, dass ein elektrisch leitfähiges Material 13 in ihnen oder um sie herum angebracht werden kann.In some cases, for example, surface emitters 12 on the first optical circuit substrate 2 are electrically connected via the photonic IC on the second optical circuit substrate 3 . This electrical connection is usually made via Cu columns or similar structures. Since it is possible within the scope of the proposed invention that the only contact point between the photonic IC and the array of surface emitters 12 are the auxiliary structures, i.e. the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, these can in this case allow an electrical connection between the two structures. Thus, in embodiments, the assist structures are fabricated using an electrically conductive material 13, or the structures may be modified so that an electrically conductive material 13 may be placed within or around them.

In 5 ist eine mögliche Implementierung gezeigt, bei der die Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b wie eben beschrieben passend modifiziert sind. Eine mögliche Modifikation bestünde, wie gezeigt, darin, in der Mitte der Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b jeweils ein Loch bzw. einen Kanal einzufügen, der mit einem elektrisch leitfähigen Material 13, hier beispielhaft eine Silberpaste, gefüllt ist, sodass die elektrische Verbindung zwischen beispielsweise photonischem IC des zweiten optischen Schaltungsträgers 3 und VCSEL-Feld des ersten optischen Schaltungsträgers 2 bereitgestellt wird. Es kann zusätzlich oder alternativ auch leitfähiger Klebstoff oder ein anderes leitfähiges Material aufgetragen sein. So wird erreicht, dass beispielsweise die ersten Ausrichtungselemente 8a, 8b und die zweiten Ausrichtungselemente 9a, 9b eine elektrische Durchführung aufweisen, um den ersten optischen Schaltungsträger 2 mit dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 elektrisch zu verbinden. Selbstverständlich kann auf dieselbe Weise auch realisiert werden, dass die dritten Ausrichtungselemente 10a, 10b und die vierten Ausrichtungselemente 11a, 11b eine elektrische Durchführung aufweisen, um den ersten optischen Schaltungsträger 2 mit dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 elektrisch zu verbinden.In 5 1 shows a possible implementation in which the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b are suitably modified as just described. A possible modification would be, as shown, to insert a hole or a channel in the middle of the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, which is covered with an electrically conductive material 13, here by way of example a Silver paste is filled, so that the electrical connection between, for example, the photonic IC of the second optical circuit carrier 3 and the VCSEL field of the first optical circuit carrier 2 is provided. In addition or as an alternative, conductive adhesive or another conductive material can also be applied. What is thus achieved is that, for example, the first alignment elements 8a, 8b and the second alignment elements 9a, 9b have an electrical feedthrough in order to electrically connect the first optical circuit carrier 2 to the second optical circuit carrier 3. Of course, it can also be implemented in the same way that the third alignment elements 10a, 10b and the fourth alignment elements 11a, 11b have an electrical feedthrough in order to electrically connect the first optical circuit carrier 2 to the second optical circuit carrier 3.

Die elektrische Durchführung kann entweder mit dem ersten Ausrichtungselement 8a, 8b unten angeordnet oder mit dem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b unten angeordnet hergestellt werden. Im ersten Fall wird vorzugsweise zunächst der Kanal im ersten Ausrichtungselement 8a, 8b mit dem elektrisch leitfähigen Material 13 gefüllt, dann das zweite Ausrichtungselement 9a, 9b mit dem ersten Ausrichtungselement 8a, 8b in Eingriff gebracht, und schließlich der Kanal im zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b mit dem elektrisch leitfähigen Material 13 gefüllt. Im zweiten Fall wird vorzugsweise zunächst der Kanal im zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b mit dem elektrisch leitfähigen Material 13 gefüllt, sodass eine Überschussmenge des elektrisch leitfähigen Materials 13 in der komplementären Aussparung verbleibt. Dann wird das erste Ausrichtungselement 8a, 8b in die komplementäre Aussparung eingeführt, sodass der Kanal im ersten Ausrichtungselement 8a, 8b durch die Überschussmenge gefüllt wird, die beim Einführen aus der Aussparung in den Kanal im ersten Ausrichtungselement 8a, 8b gedrängt wird. In beiden Fällen wird jeweils eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 geschaffen, mittels des elektrisch leitfähigen Materials 13. An sich sind nämlich, abgesehen vom elektrisch leitfähigen Material 13, die Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet.The electrical feedthrough can be made either with the first alignment member 8a, 8b located at the bottom or with the second alignment member 9a, 9b located at the bottom. In the first case, preferably the channel in the first alignment element 8a, 8b is first filled with the electrically conductive material 13, then the second alignment element 9a, 9b is engaged with the first alignment element 8a, 8b, and finally the channel in the second alignment element 9a, 9b filled with the electrically conductive material 13. In the second case, the channel in the second alignment element 9a, 9b is preferably first filled with the electrically conductive material 13, so that an excess amount of the electrically conductive material 13 remains in the complementary recess. Then the first alignment member 8a, 8b is inserted into the complementary recess so that the channel in the first alignment member 8a, 8b is filled by the excess amount being forced out of the recess into the channel in the first alignment member 8a, 8b upon insertion. In both cases, an electrical connection is created between the first optical circuit carrier 2 and the second optical circuit carrier 3 by means of the electrically conductive material 13. Apart from the electrically conductive material 13, the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b , 10a, 10b, 11a, 11b formed of an electrically insulating material.

6 zeigt eine Detailansicht eines Querschnitts der optischen Schaltungsträgeranordnung 1 nach einer vierten Ausführungsform, erneut aus der Y-Richtung betrachtet. Der zweite optische Schaltungsträger 3 trägt Mikrolinsen 14, um die ersten optischen Bauelemente 4 (in dieser Figur nicht gezeigt) mit den zweiten optischen Bauelementen 5 optisch zu koppeln. Die Mikrolinsen 14 sind in einer Linsenanordnung 15 angeordnet, die in der gestapelten Konfiguration zwischen dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 angeordnet ist. Jedem Gitterkoppler 7 des zweiten optischen Bauelements 5 ist beispielhaft genau eine Mikrolinse 14 vorgelagert. Je nach Bedarf kann auch der erste optische Schaltungsträger 2, der hier nicht gezeigt ist, Mikrolinsen 14 tragen oder nicht. 6 FIG. 1 shows a detailed view of a cross section of the optical circuit carrier arrangement 1 according to a fourth embodiment, viewed again from the Y-direction. The second optical circuit carrier 3 carries microlenses 14 in order to surround the first optical components 4 (not in this figure shown) to be optically coupled to the second optical components 5 . The microlenses 14 are arranged in a lens array 15 which is arranged between the first optical circuit substrate 2 and the second optical circuit substrate 3 in the stacked configuration. Exactly one microlens 14 is arranged in front of each grating coupler 7 of the second optical component 5, for example. Depending on requirements, the first optical circuit carrier 2, which is not shown here, can carry microlenses 14 or not.

7 zeigt eine Detailansicht eines Querschnitts der optischen Schaltungsträgeranordnung 1 nach einer fünften Ausführungsform, erneut aus der Y-Richtung betrachtet. Der erste optische Schaltungsträger 2 trägt die Mikrolinsen 14, um die ersten optischen Bauelemente 4 mit den zweiten optischen Bauelementen 5 (in dieser Figur nicht gezeigt) optisch zu koppeln. Die Mikrolinsen 14 sind wieder in der Linsenanordnung 15 angeordnet, die in der gestapelten Konfiguration zwischen dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 angeordnet ist. Jeder Lichtleiterfaser 6 der ersten optischen Bauelemente 4 ist beispielhaft genau eine Mikrolinse 14 vorgelagert. Je nach Bedarf kann auch der zweite optische Schaltungsträger 3, der hier nicht gezeigt ist, wieder Mikrolinsen 14 tragen oder nicht. Es kann sich in einer Ausführungsform der optischen Schaltungsträgeranordnung 1 beispielsweise um den zweiten optischen Schaltungsträger 3 aus 6 handeln. 7 FIG. 1 shows a detailed view of a cross section of the optical circuit carrier arrangement 1 according to a fifth embodiment, viewed again from the Y-direction. The first optical circuit substrate 2 carries the microlenses 14 in order to optically couple the first optical components 4 to the second optical components 5 (not shown in this figure). The microlenses 14 are again arranged in the lens array 15 which is arranged between the first optical circuit substrate 2 and the second optical circuit substrate 3 in the stacked configuration. Exactly one microlens 14 is placed in front of each optical fiber 6 of the first optical components 4, for example. Depending on requirements, the second optical circuit carrier 3, which is not shown here, can again carry microlenses 14 or not. In one embodiment of the optical circuit carrier arrangement 1, it can be the second optical circuit carrier 3, for example 6 act.

8 zeigt eine Detailansicht eines Querschnitts einer optischen Schaltungsträgeranordnung 1 nach einer sechsten Ausführungsform, erneut aus der Y-Richtung betrachtet. Der erste optische Schaltungsträger 2 trägt die Mikrolinsen 14, um die ersten optischen Bauelemente 4 mit den zweiten optischen Bauelementen 5 (in dieser Figur nicht gezeigt) optisch zu koppeln. Die Mikrolinsen 14 sind in der Linsenanordnung 15 angeordnet, die in der gestapelten Konfiguration zwischen dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 angeordnet ist. Jedem Oberflächenemitter 12 der ersten optischen Bauelemente 4 ist beispielhaft genau eine Mikrolinse 14 vorgelagert. Je nach Bedarf kann auch der zweite optische Schaltungsträger 3, der hier nicht gezeigt ist, die Mikrolinsen 14 tragen oder nicht. Es kann sich in einer Ausführungsform der optischen Schaltungsträgeranordnung 1 beispielsweise wieder um den zweiten optischen Schaltungsträger 3 aus 6 handeln. 8th FIG. 1 shows a detailed view of a cross section of an optical circuit carrier arrangement 1 according to a sixth embodiment, viewed again from the Y-direction. The first optical circuit substrate 2 carries the microlenses 14 in order to optically couple the first optical components 4 to the second optical components 5 (not shown in this figure). The microlenses 14 are arranged in the lens array 15 which is arranged between the first optical circuit substrate 2 and the second optical circuit substrate 3 in the stacked configuration. Exactly one microlens 14 is arranged in front of each surface emitter 12 of the first optical components 4, for example. Depending on requirements, the second optical circuit carrier 3, which is not shown here, can carry the microlenses 14 or not. In one embodiment of the optical circuit carrier arrangement 1, it can again be the second optical circuit carrier 3, for example 6 act.

Zusätzlich sind auf dem ersten optischen Schaltungsträger 2 in 8 ein erstes Ausrichtungselement 8a, 8b und ein drittes Ausrichtungselement 10a, 10b bereitgestellt. Der zugehörige zweite optische Schaltungsträger 3, der hier nicht gezeigt ist, umfasst ein zum ersten Ausrichtungselement 8a, 8b komplementäres zweites Ausrichtungselement 9a, 9b und ein zum dritten Ausrichtungselement 10a, 10b komplementäres viertes Ausrichtungselement 11a, 11b. Der erste optische Schaltungsträger 2 und der zweite optische Schaltungsträger 3 können durch das erste Ausrichtungselement 8a, 8b und das zweite Ausrichtungselement 9a, 9b sowie durch das dritte Ausrichtungselement 10a, 10b und das vierte Ausrichtungselement 11a, 11 b in Bezug zueinander geneigt angeordnet werden, in der gestapelten Konfiguration, wie rein beispielhaft in 4 gezeigt.In addition, on the first optical circuit carrier 2 in 8th a first alignment element 8a, 8b and a third alignment element 10a, 10b are provided. The associated second optical circuit carrier 3, which is not shown here, comprises a second alignment element 9a, 9b complementary to the first alignment element 8a, 8b and a fourth alignment element 11a, 11b complementary to the third alignment element 10a, 10b. The first optical circuit substrate 2 and the second optical circuit substrate 3 can be inclined with respect to one another by the first alignment element 8a, 8b and the second alignment element 9a, 9b and by the third alignment element 10a, 10b and the fourth alignment element 11a, 11b, in the stacked configuration, as purely by way of example in 4 shown.

9 zeigt ein Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung. Es handelt sich um ein Verfahren zum Ausrichten einer optischen Schaltungsträgeranordnung 1, bei dem ein erster optischer Schaltungsträger 2 in Bezug auf einen zweiten optischen Schaltungsträger 3 der optischen Schaltungsträgeranordnung 1 zur Lichtübertragung zwischen ihnen ausgerichtet wird. Durch dieses Verfahren kann eine optische Schaltungsträgeranordnung 1, wie sie jeweils in den 1 bis 8 zumindest teilweise oder in Details veranschaulicht ist, ausgerichtet werden. 9 Figure 12 shows a method according to an embodiment of the invention. It is a method for aligning an optical circuit carrier assembly 1, in which a first optical circuit carrier 2 is aligned in relation to a second optical circuit carrier 3 of the optical circuit carrier assembly 1 for light transmission between them. By this method, an optical circuit board assembly 1, as in each case 1 until 8th illustrated at least in part or in detail.

In einem ersten Schritt S91 in 9 erfolgt ein Bereitstellen von einem ersten Ausrichtungselement 8a, 8b auf dem ersten optischen Schaltungsträger und einem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b, das zu dem ersten Ausrichtungselement 8a, 8b komplementär ausgebildet ist, auf dem zweiten optischen Schaltungsträger 3. In einem zweiten Schritt S92 folgt, nach dem Bereitstellen, Ausrichten des ersten optischen Schaltungsträgers 2 mit dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 durch in Eingriff bringen des ersten Ausrichtungselements 8a, 8b mit dem zweiten Ausrichtungselement 9a, 9b und Fixieren der Position des ersten optischen Schaltungsträgers 2 in Bezug auf den zweiten optischen Schaltungsträger 3. So wird eine zuverlässige Lichtübertragung zwischen ersten optischen Bauteilen 4 auf dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und zweiten optischen Bauteilen 5 auf dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 dauerhaft sichergestellt.In a first step S91 in 9 a first alignment element 8a, 8b is provided on the first optical circuit carrier and a second alignment element 9a, 9b, which is designed to complement the first alignment element 8a, 8b, on the second optical circuit carrier 3. In a second step S92, follows providing, aligning the first optical circuit carrier 2 with the second optical circuit carrier 3 by bringing the first alignment element 8a, 8b into engagement with the second alignment element 9a, 9b and fixing the position of the first optical circuit carrier 2 in relation to the second optical circuit carrier 3. Reliable light transmission between first optical components 4 on the first optical circuit carrier 2 and second optical components 5 on the second optical circuit carrier 3 is thus permanently ensured.

Diese Erfindung schlägt somit ein Verfahren vor, das die Anforderungen an die aktive Ausrichtung während der Ausrichtung der Felder optischer Komponenten vollständig eliminiert. Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, vorzugsweise Hilfsstrukturen, insbesondere die ersten, zweiten, dritten und vierten Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, auf der Oberseite des Quellfeldes (z.B. Faserfeld / VCSEL-Feld) und auf der Oberseite des Empfängerfeldes (z.B. photonischer IC mit Feld von Koppelelementen / Faserfeld) herzustellen. Ein Aspekt dieser Erfindung ist, mit anderen Worten, die Herstellung von Hilfsstrukturen auf den optischen Komponenten der Quelle und des Empfängers, also den beiden optischen Schaltungsträgern 2, 3, so dass sie direkt an der Stelle der maximalen Kopplungseffizienz kombiniert werden können. Durch präzise Herstellung von Hilfsstrukturen auf der Quell- und Empfängerkomponente (z.B. Herstellung der Hilfsstrukturen mittels Zwei-Photonen-Lithographie) werden die sub-µm-Ausrichtungsanforderungen von den Positionierwerkzeugen auf die Hilfsstrukturen übertragen, so dass die sub-µm-Ausrichtung mit konventionellen Positioniermaschinen erreicht werden kann. Dies kann eine passive Ausrichtung zwischen zwei optischen Komponenten ermöglichen, sodass der Zeitaufwand für die Montage der einzelnen Komponenten des optischen Systems extrem reduziert werden kann, was die Kosten reduziert und eine Serienfertigung ermöglicht.This invention thus proposes a method that completely eliminates the active alignment requirements during the alignment of optical component arrays. In order to achieve this, it is proposed to preferably use auxiliary structures, in particular the first, second, third and fourth alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, on top of the source array (e.g. fiber array / VCSEL array) and on top of the receiver array (e.g. photonic IC with array of coupling elements/fiber array). In other words, one aspect of this invention is the fabrication of auxiliary structures on top of the optical ones Components of the source and the receiver, ie the two optical circuit carriers 2, 3, so that they can be combined directly at the point of maximum coupling efficiency. By precisely fabricating auxiliary structures on the source and receiver components (e.g. fabricating the auxiliary structures using two-photon lithography), the sub-µm alignment requirements are transferred from the positioning tools to the auxiliary structures, allowing sub-µm alignment to be achieved with conventional positioning machines can be. This can enable passive alignment between two optical components, so the time required to assemble each component of the optical system can be extremely reduced, reducing costs and enabling mass production.

Mit Hilfe von den Ausrichtungselementen 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, die Hilfsstrukturen sind, wird also, wie voranstehend in den Ausführungsbeispielen veranschaulicht, eine passive Ausrichtung zwischen den beiden Komponenten der optischen Schaltungsträgeranordnung 1, also zwischen dem ersten optischen Schaltungsträger 2 und dem zweiten optischen Schaltungsträger 3, ermöglicht. Darüber hinaus kann durch Änderung der Abmessungen der Hilfsstrukturen der Winkel zwischen den Komponenten verändert werden. Ein Feld aus Oberflächenemittern 12, das auf dem ersten optischen Schaltungsträger 2 bereitgestellt sein kann, kann beispielsweise mit herkömmlichen Positioniermaschinen grob auf dem photonischen IC, der auf dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 bereitgestellt sein kann, platziert werden. Anschließend gleitet das Feld, durch die beispielsweise kegelförmigen Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, an die richtige Stelle und wird im richtigen Winkel in Bezug auf den jeweiligen photonischen IC platziert, wodurch eine passive Ausrichtung zwischen den beiden optischen Komponenten 2, 3 erreicht wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung der vorgeschlagenen Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b besteht darin, dass der Abstand zwischen den zu koppelnden optischen Bauelementen 4, 5, die sich jeweils auf den beiden optischen Schaltungsträgern 2, 3 befinden und sich in der gestapelten Konfiguration gegenüberliegen, durch Modifikation der physikalischen Höhe der Ausrichtungselemente 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b fixiert werden kann. Dies ist ein Vorteil im Vergleich zum Stand der Technik, wo es keine genaue Höhenregelung gibt, sondern das Feld aus Lichtleiterfasern 6 oder Oberflächenemittern 12, die beispielsweise auf dem ersten optischen Schaltungsträger 2 bereitgestellt sind, auf dem optischen Chip (z.B. dem photonischen IC), der beispielsweise auf dem zweiten optischen Schaltungsträger 3 bereitgestellt ist, platziert wird, ohne die tatsächliche Höhe des Feldes relativ zum photonischen IC wirklich zu kennen.With the help of the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, which are auxiliary structures, a passive alignment between the two components of the optical circuit carrier assembly 1, i.e. between the first optical circuit carrier 2 and the second optical circuit carrier 3 allows. In addition, by changing the dimensions of the auxiliary structures, the angle between the components can be changed. An array of surface emitters 12, which can be provided on the first optical circuit substrate 2, can be roughly placed on the photonic IC, which can be provided on the second optical circuit substrate 3, for example with conventional positioning machines. Subsequently, the field slides, through the for example cone-shaped alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, into the right place and is placed at the right angle with respect to the respective photonic IC, thereby enabling a passive alignment between the both optical components 2, 3 is achieved. An additional advantage of using the proposed alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b is that the distance between the optical components 4, 5 to be coupled, which are located on the two optical circuit carriers 2, 3 located and facing each other in the stacked configuration can be fixed by modifying the physical height of the alignment elements 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b. This is an advantage compared to the prior art, where there is no precise height control, but the array of optical fibers 6 or surface emitters 12 provided, for example, on the first optical circuit substrate 2, on the optical chip (e.g. the photonic IC), provided on the second optical circuit substrate 3, for example, is placed without really knowing the actual height of the field relative to the photonic IC.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in more detail by means of preferred exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the protective scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims

Optical circuit carrier arrangement (1), which has a first optical circuit carrier (2) and a second optical circuit carrier (3), first optical components (4), which are arranged on the first optical circuit carrier (2), being connected to second optical components (5 ), which are arranged on the second optical circuit carrier (3), are aligned for light transmission between them, characterized in that the first optical circuit carrier (2) has a first alignment element (8a, 8b) and the second optical circuit carrier (3) a second alignment element (9a, 9b) complementary to the first alignment element (8a, 8b), and the first alignment element (8a, 8b) engages the second alignment element (9a, 9b), whereby the first optical Components (4) are aligned with the second optical components (5) for light transmission between them.

Optical circuit board arrangement (1) after claim 1 wherein the first alignment element (8a, 8b) forms a projection and the second alignment element (9a, 9b) has a complementary recess for receiving the projection.

Optical circuit board arrangement (1) after claim 1 or 2 , wherein the first alignment element (8a, 8b) has a length in the range between 1 µm and 30 µm.

An optical circuit substrate assembly (1) according to any one of the preceding claims, wherein the first optical circuit substrate (2) and the second optical circuit substrate (3) are inclined relative to each other by the first alignment element (8a, 8b) and the second alignment element (9a, 9b). are.

Optical circuit carrier arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the first alignment element (8a, 8b) and the second alignment element (9a, 9b) have an electrical feedthrough in order to connect the first optical circuit carrier (2) to the second optical circuit carrier (3) to connect electrically.

Optical circuit carrier arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the first optical circuit carrier (2) additionally has a third alignment element (10a, 10b) and the second optical circuit carrier additionally has a fourth alignment element (11a, 11b) which is complementary to the third alignment element (10a, 10b) is formed, and the third alignment element (10a, 10b) engages with the fourth alignment element (11a, 11b), whereby the first optical components (4) with the second optical components (5) for light transmission between are aligned with them.

Optical circuit carrier arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the first optical circuit carrier (2) has a multiplicity of optical fibers (6) as the first optical components (4) and the second optical circuit carrier (3) as the second optical components (5 ) comprises a photonic integrated circuit and the photonic integrated circuit is aligned with the plurality of optical fibers (6) for light transmission between the photonic integrated circuit and the plurality of optical fibers (6).

Optical circuit carrier arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the optical circuit carriers (2, 3) carries microlenses (13) in order to optically couple the first optical components (4) to the second optical components (5).

Method for aligning an optical circuit carrier arrangement (1), in which a first optical circuit carrier (2) is aligned in relation to a second optical circuit carrier (3) of the optical circuit carrier arrangement (1) for light transmission between them, characterized by the step: - providing ( S91) by a first alignment element (8a, 8b) on the first optical circuit carrier (2) and a second alignment element (9a, 9b), which is designed to complement the first alignment element (8a, 8b), on the second optical circuit carrier (3 ).

procedure after claim 9 , comprising the step: - after providing, aligning (S92) the first optical circuit carrier (2) with the second optical circuit carrier (3) by engaging the first alignment element (8a, 8b) with the second alignment element (9a, 9b) and fixing the position of the first optical circuit substrate (2) with respect to the second optical circuit substrate (3).