CN112241046B - 光学系统、光学部件和用于制作光学系统的方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学系统，包括：第一光学部件，具有第一波导体和凹部，凹部从前侧到与前侧对置的后侧至少部分地穿过第一光学部件；第二光学部件，其布置在第一光学部件的凹部内，并且具有能够与第一波导体光学耦合的第二波导体；和载体基板，其中第一光学部件和第二光学部件分别布置在载体基板上。第一光学部件具有带有相对于第一波导体的限定的位置和/或取向的第一标记组，第二光学部件具有带有相对于第二波导体的限定的位置和/或取向的第二标记组，并且根据第一和第二标记组的相对位置和/或取向能够确定第一和第二光学部件是否在平行于载体基板的表面的参考平面内相互对准，使得实现第一和第二波导体的光学耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统、光学部件和用于制造光学系统的方法。
背景技术
光学元件，例如激光器、调制器、光电二极管和其他元件，日益小型化，连接到新功能并且集成在一起。因此，紧凑的光学系统可以在合适的基板上实现，例如作为集成光路(也称为“photonic integrated circuit”，PIC)。以此系统可用来实现分离器、耦合器、移相器、环形谐振器、阵列波导光栅、光放大器、开关和其他功能单元。在此，光通过波导体传输，所述波导体例如可以嵌入到由平面基板形成的光学部件内或应用于所述光学部件。
在制造对应的光学系统时，提供带有凹部或腔的光学部件可能是有利的，然后将第二光学部件引入到所述凹部或腔内。从文献DE 10 2016 203 453 A1中已知对应的光学系统和对应的制造方法。
在制造这种类型的光学系统时，必须始终解决以下问题：即不同组件的波导体必须相互光学耦合，即必须精确地对准至使得光能够以对于可能的应用来说足够的效率从一个波导体传输到另一波导体内。
在此光学系统中经常使用边缘发射光学部件，即在所述光学部件中在波导体中传播的光从部件的端面离开，或光可以通过部件的端面耦入到波导体内。为了此部件的光学耦合，将对应的端面以合适的位置和取向相互布置和对准，这也称为对接耦合。
待耦合的波导体的尺寸越小则对准精度的要求越高。例如，仅允许单光模传播的单模波导体可以具有几百纳米到几微米的横截面，由此相应地为光学耦合规定了窄公差。
为了在对接耦合中将边缘发射光学部件精确对准，已建议了不同方法。
在所谓的主动方法中，通过将部件的相互定位，可以将在建立光学耦合时传输的并且被测量的光信号最大化。但是，此方法很复杂，对应地昂贵，并且仅可在一定的情况下使用。所述方法也妨碍了进一步的小型化。
被动方法省去了对通过耦合传输的光信号的测量以及为此所需的复杂的制造设备。然而，为此(例如，在借助于参考接触面将光学部件相互对准的情况下)通常必须维持光学部件的极其严格的制造公差，这又是复杂且昂贵的。
此外，已经建议了用于生产PIC的异质集成方法，其中将半导体材料结合到互补金属氧化物半导体晶片上，并且然后在其上最终处理半导体，这通过部件的光刻结构实现了良好的精度。由于与过程相关的限制和低产量，此方法仅在少数应用中可行。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种光学系统，所述光学系统在部件的对准方面具有改进，由此避免或减少了所提及的缺点。此外，还提供了光学部件和用于制造光学系统的方法。
根据本发明，此任务通过根据权利要求1的光学系统、根据权利要求9的光学部件和根据权利要求10的方法来实现。本发明的有利的实施方案和改进方案由从属权利要求的特征得出。
所建议的的光学系统包括：
第一光学部件，其具有第一波导体和凹部，所述凹部至少部分地从前侧到与前侧对置的后侧穿过第一光学部件，
第二光学部件，其布置在第一光学部件的凹部内并且具有可与第一波导体光学耦合的第二波导体，和
载体基板，其中第一光学部件和第二光学部件分别布置在载体基板上。
在此规定，第一光学部件具有带有相对于第一波导体限定的位置和/或取向的第一标记组，第二光学部件具有带有相对于第二波导体限定的位置和/或取向的第二标记组，并且根据第一标记组和第二标记组的相对位置和/或取向可检测第一光学部件和第二光学部件是否在平行于载体基板的表面的参考平面内相互对齐，使得实现第一波导体和第二波导体的光学耦合。
每个光学部件和载体基板具有前侧和与前侧相对的后侧。垂直于前侧或后侧的其他侧面在此称为端面。平行于前侧(即，也平行于参考平面)的方向称为横向方向，垂直于横向方向的方向称为法向方向。
首先准备光学耦合，这通过如上所述通过光学标记沿横向方向的对应的取向实现光学耦合来进行。光学耦合的建立通常包括通过沿横向方向和法向方向的对准来分别实现光学耦合。
所描述的光学系统的优点在于，通过优选在制造光学系统期间根据第一和第二标记组相互相对的位置和/或取向来检测光学部件的对准，以相对简单的实施和廉价的方式高精度地实现了第一和第二波导体的光学耦合(即，通过对第一和第二光学部件的相对位置和/或取向的可能修正，以建立或改善光学耦合)。特别地，在同时放宽制造公差的情况下实现了被动对准的已知优点。
通过将光学部件布置在另一光学部件的凹部内，在光学系统的热性能、高频应用以及制造规模和成本方面具有优势。为此，也参考已经提到的出版物DE 10 2016 203 453A1。
在本申请意义上的标记组包括一个或多个标记，其中标记是如下元件，即可以通过合适的测量设备检测所述元件的位置和/或取向。此检测可以特别地例如通过作为测量设备的相机或另一光学扫描或检测系统(例如带有光栅扫描仪和点、线或面检测器的激光扫描系统)以光学方式进行。替代地，检测也可以例如借助电测量或磁测量或基于接触的测量以另外的方式进行。在检测标记组的位置和/或取向时，可以完全地或部分地检测标记组中的全部标记、多个标记或仅一个标记。
检测可以包括通过处理单元来处理由测量设备测量的数据。在此所建议的光学系统的标记组可以被构造为使得所述标记组实现了光学部件的相互对准，这又包括波导体的相互对准，以产生或改进或准备波导体的光学耦合。光学部件的相互对准在此包括通过光学部件的相对位置和/或取向的匹配使标记组相互对准，从而建立标记组的规定的相对位置和/或取向。所规定的标记组的相对位置和/或取向由标记组相对于相应的波导体的限定的位置和/或取向产生，从而通过产生规定的相对位置和/或取向来实现或改进或准备波导体的光学耦合。在对准光学部件的方面，可以在给定的标记组内完全地或部分地考虑标记组的全部标记、多个标记或仅一个标记。
因此，在对准两个构件时，可将标记组用作定位辅助。对应地，标记组或标记组的标记可以是除用作定位辅助之外不实现任何光学、电子、机械和/或另外的功能的元件。替代地，标记组也可以实现其他功能。
标记可以是例如覆层、嵌入的组成部分或部件的在某些特性(例如，光学特性)方面相对于环境发生改变的组成部分。替代地，标记也可以是可用于其他目的的和/或为其他目的设置的组成部分，例如部件的结构组成部分，例如边缘、角部、表面或波导体。
光学部件和/或载体基板可以是平坦的或平坦地延伸的元件，其可以例如实现为芯片或晶片或可以由其形成。光学部件中的至少一个可以具有半导体芯片(例如硅芯片)、集成光路(PIC)、绝缘体上硅芯片、陶瓷芯片和/或玻璃芯片。此外，载体基板可以包含例如硅或其他半导体材料、陶瓷、玻璃或聚合物的材料，或由上述材料组成。波导体中的至少一个可以包含聚合物、玻璃、氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiO2内的Si3N4)和/或硅(例如SiO2上的Si)。因此，这些成分、材料和组合物的多种设计和使用及其生产和处理方法转用到所提出的系统中，包括本领域技术人员已知的优点。
光学部件可以是边缘发射的光学部件。因此，第一和第二波导体可以布置在相应的光学部件内，使得光在波导体内平行于相应的光学部件的前面传播，并且可以通过端面的一部分进入或离开波导体。
可以通过机械抛光、通过光刻限定的干法蚀刻或通过(如需要，在预先刻划之后)沿限定的晶面的断开来制备端面。以此方式，可以实现对于光通过端面到波导体内的耦入和通过端面从波导体的耦出特别有利的特性。
光学部件的至少一个可以除第一/第二波导体之外具有一个或多个其他的波导体。除波导体之外，光学部件的至少一个还可以具有其他的元件，例如光学和/或电子元件。例如，光学部件的至少一个可以被实施为电-光电路。
可以将凹部整块蚀刻掉，也可以通过蚀刻周部凹槽(沟槽)并且然后去除剩余的芯部来制成凹部。凹部可以部分或全部穿过第一光学部件，其中在全部穿过的情况中可实现对于凹部内部的良好的光学和机械可达性。
第一和/或第二光学部件当然可以具有一个或多个其他凹部。对应地，系统还可以包括至少一个第三光学部件，所述第三光学部件又具有至少一个与第一和/或第二波导体光学耦合的第三波导体和/或带有相对于第三波导体的限定的位置和/或取向的至少一个第三标记组，并且所述第三光学部件可以在载体基板上布置在另外的凹部/多个另外的凹部中的一个内。第三和第一和/或第二标记组可以适合于检测第一和第二波导体在参考平面内的相互相对位置和/或取向。
通过将第一标记组和第二标记组如上所述相互对准，第一和第二波导体的相互对准可以实现为使得与沿横向方向的期望相对位置的最大偏差例如小于5μm，小于2μm，小于1μm，小于500nm或小于200nm，和/或使得与沿横向方向的期望相对取向的最大角度偏差例如小于15mrad，小于5mrad，小于2mrad或小于1mrad。
可以规定，第一波导体与第一光学部件的前侧相距第一距离，第二波导体与第二光学部件的前侧相距第二距离，第一光学部件和第二光学部件的前侧朝向载体基板，并且选择第一和第二距离，使得将第一和第二光学部件沿垂直于参考平面的法向方向的相互相对位置和/或取向调节为实现第一和第二波导体的光学耦合。
以此得到了第一波导体和第二波导体沿法向方向上的对准，这有助于光学耦合。因此，在沿法向方向对准时，也体现了波导体的被动对准的优点。
例如，沿法向方向与期望相对位置的最大偏差可以小于2μm，小于1μm，小于500nm，小于200nm或小于100nm。
第一和/或第二距离可以通过布置在第一和/或第二光学部件的前侧上的若干层来调节。以此可实现第一波导体和第二波导体相互沿法向方向的高精度并且可复现的对准。可以通过不同的方法，例如通过取向附生(也可以例如借助氧化物或氮化物进行金属化或钝化)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)或其他层沉积工艺，将此层施加到第一和/或第二光学部件的前侧上。
通过合适的横向和法向偏差公差的组合，可以实现期望的光学耦合效率，使得耦入到波导体中的一个内的光信号的强度相对于从波导体中的另一个耦出的光信号的强度的衰减例如小于6dB，小于3dB小于2dB或小于1dB。
第一光学部件的第一端面和第二光学部件的第二端面之间的距离例如可以小于2μm，小于1μm，小于500nm，小于200nm，小于100nm，但也可以大于2μm，与第二波导体待耦合的第一波导体的端部通向所述第一端面，与第一波导体待光学耦合的第二波导体的端部通向所述第二端面。第一端面和第二端面也可以接触。
可以规定，标记组中的至少一个的至少一部分通过波导体的一部分实现或包含波导体的部分，和/或标记组中的至少一个的至少一部分是光学部件中的一个的边缘或包含所述边缘。这实现了光学部件或光学系统的不复杂的制造，而没有用于制造标记的附加步骤。
可以通过光刻方法将标记组中的至少一个的至少一部分施加到光学部件中的一个上或嵌入到其内。以此方式，可以实现标记组或其部分的精确制造和特别好的可见性。
可以规定，在同一个工作步骤中和/或以同一个掩模通过光刻方法制造标记组中的至少一个的至少一部分和波导体中的至少一个的至少一部分。其优点是，以高精度和可复现性限定标记组或其对应的部分相对于对应的波导体的位置和/或取向。
对于特定波长范围，例如对于可见光、紫外光和/或红外光，载体基板可以是至少部分透明和/或半透明的。因而例如可以借助于相机单元有利地进行第一波导体和第二波导体在参考平面内的相互相对位置和/或取向的检测，所述相机单元布置在靠近载体基板的背对光学部件的后侧上，并且可以通过载体基板拍摄带有其标记组或标记组的部分的光学部件的图像。
替代地或补充地可以规定，将第一光学部件的至少一部分变薄，使得从第一光学部件的后侧可检测，特别是可见和/或可测量第一组标记的至少一部分。
例如，光学部件后侧上的凹部的横截面可以比光学部件前侧上的凹部的横截面更大。例如，这可以通过如下方式实现，即通过使用后掩膜从第一光学部件的后侧蚀刻凹部，使用前掩膜从第一光学部件的前侧蚀刻凹部，其中后掩膜的未保护的区域比前掩膜的更大。
变薄的部分可以特别有利地布置在凹部的边沿的区域或边沿的一部分的区域内。
通过凹部的边沿的区域的变薄的部分产生台阶，即如下区域，其中凹部的横截面相对于凹部的另外的区域的横截面更小。台阶可以在部件组附近变宽，以实现标记组的更好的光学检测。第一标记组可以至少部分地布置在台阶的朝向第一光学部件的后侧的侧，使得所述第一标记组从后侧直接可见，或第一标记组可以至少部分地布置在台阶内或布置在台阶的朝向第一光学部件的前侧的侧，使得所述第一标记组从第一光学部件的后侧通过第一光学部件的变薄的部分可见。
第一和第二标记组的相互对准可以借助于变薄的部分或台阶以特别有利的方式以光学方式进行，其中，在系统制造期间，在彼此相邻地引导所述第一和第二部件期间，在此将相机单元引入第一和第二部件之间，但是其中第一和第二部件之间仍存在足够的距离。相机单元特别地可以具有两个光学器件和/或光学分离器和/或两个传感器，使得可以沿两个相反的方向检测图像，其中第二部件的后侧(即，背对载体基板的一侧)和第二部件的前侧可以被同时成像。由于所述的变薄，在此两个标记组的至少部分是可见的。
此方法的优点在于，可以使用固定的焦平面将两个标记组成像，以此可实现特别高的定位精度。
标记组中的至少一个可以具有至少一个线形和/或十字形和/或圆形和/或椭圆形和/或多边形的元件，和/或可以具有多个平行的线和/或游标结构。
线形元件或其组合(即，包括十字形和多边形元件(或其边缘)或游标结构)是有利的。多个平行的线形元件的组可以被认为是特别有利的。标记组的线形元件可以以固定距离/多个与对应的波导体平行地走向，并且因此实现波导体的相互特别好的对准。
所述优点在经常遇到的情况中特别显著，在所述情况中光学部件的端面附近的波导体(并且，特别地在端面上的波导体的进入点和离开点处)不垂直于端面，而是以大于或小于90°的角度与端面相遇。以此可以避免例如在激光腔内的不期望的光的背反射。在此情况中，进入点和离开点的确切位置取决于端面抛光或断开时已去除了多少材料(参见上文)。如果标记组的线形元素平行于波导体走向，则线形元件以与波导体相同的方式缩短，并且线形元素与端面的交点以与波导体的进入点和离开点相同的方式变化。
也可以根据线形元件的位置和/或取向来调节光学部件的必需的偏移，所述偏移可以例如由所涉及的波导体的折射率和对应的端面的距离规定。
可以规定，在方法结束时，即特别是在将部件相互对准并且将两个部件布置在载体基板上之后，第一和第二元件的相互朝向的端面的距离例如小于100μm，小于10μm，小于1μm或小于100nm。
可以规定，第一和第二标记组以限定的方式相互补充和/或内接和/或互补，以便于对准。例如在简单的线形元件的情况中，或例如在已知实现了位置偏差的的特别精确的确定的游标结构的情况中，这已实现。例如，第一和第二标记组的部分可以分别给出游标结构的读数刻度和主刻度。
可以规定，标记组中的至少一个包括多个具有尽可能大的(即，根据对应的光学部件的尺寸和另外的元件在其上的布置而尽可能大的)距离的标记。元件之间的较大的距离实现了光学部件的位置和/或取向与希望的位置的偏差的更精确的确定。
可以规定，标记组中的至少一个的至少一部分从对应的光学部件的一个端面延伸到另一个边缘，和/或标记组中的至少一个包括在多个端面附近的元件。以此一方面改进了确定位置/取向偏差的精度，另一方面可以因此考虑在多个端面附近的波导体的走向，特别是如果应在多个端面上实现光学耦合。
还应该指出的一般考虑是，用于在光学元件相互对准时的每个待考虑的独立的自由度(位移、角度倾斜)的每个标记组必须分别包含至少一个与其他点不同的可识别的点。在线形的或其他方式扩展的、即非点形的元件的情况中，这可以由此元件的多个限定的点(例如端点)给出。
标记组中的至少一个的至少一部分可以是光学部件中的一个的边缘或者包括光学部件中的一个的边缘。
特别是与同一标记组的另一部分相关，所述部分被设计为平行于波导体的线形元件，因此可以相对于所述波导体的离开点限定唯一的位置，即边缘与线形元件的交点。
光学部件中的至少一个的对应的边缘也可以通过标记组的一部分来标记，所述部分被设计为延伸的表面元件(因此例如被设计为多边形，例如矩形)，并且因此特别好地可见。
所建议的光学部件具有波导体和带有相对于波导体的限定的位置和/或取向的标记组。光学部件还可以具有凹部，所述凹部从前侧到与前侧相对的后侧至少部分地穿过第一光学部件。
因此得到的光学部件可以有利地用于所提出的光学系统的制造中。
所建议的用于制造光学系统的方法包括：
提供具有第一波导体和凹部的第一光学部件，所述凹部从前侧到与前侧对置的后侧穿过第一光学部件，提供具有第二波导体的第二光学部件，以及提供载体基板，
将第一和第二光学部件布置在载体基板上，使得将第二光学部件布置在第一光学部件的凹部中，
将第一和第二光学部件相互对准，使得产生第一波导体与第二波导体的光学耦合。
在此规定，第一光学部件具有带有相对于第一波导体的限定的位置和/或取向的第一标记组，第二光学部件具有带有相对于第二波导体的限定的位置和/或取向的第二标记组，并且第一和第二光学部件的相互对准包括：
将第一和第二组标记物相互对准，以在平行于载体基板的表面的参考平面内将第一波导体和第二波导体相互对准。
第一光学部件和第二光学部件的这种彼此对准所具有的优点在于，由此建立的方法以相对实施简单并且廉价的方式实现了高精度的光学耦合。特别地，在同时放宽制造公差的情况下实现了被动对准的已知优点。通过所述方法还可以实现所建议的光学系统的所有其他上述优点。
例如如上所述，第一光学部件可以在方法开始时已设有凹部，或可以在方法的进行中才设置凹部。
在将第一光学部件和第二光学部件布置在载体基板上时，可以例如首先将第一光学部件布置在载体基板上，使得其前侧朝向载体基板的前侧。第一光学部件可以同时或随后例如通过施加到载体基板和/或第一光学部件上的粘合剂而临时或永久地固定在载体基板上。
然后可以将第二光学部件引到第一光学部件的后侧上，以使第一光学部件的前侧也朝向载体基板的前侧，但是第一和第二部件之间仍然存在距离，所述距离通过合适的测量设备实现了第一和第二标记组的至少部分的相对位置和/或取向的确定。这可以例如以光学方式完成，例如通过使用至少一个相机拍摄图像。可以对应于所确定的相对位置和/或取向来修正第二光学部件和/或第一光学部件以及载体基板的位置和/或取向，使得由此实现第一和第二波导体的相互对准，特别是沿横向方向的对准。
在进行修正之后，可以重复光学部件的相对位置和/或取向的确定以及对第一和/或第二部件的位置和/或取向的修正，如需要则多次(即，迭代地)确定和修正，直至达到或小于第一和第二波导体的相对位置和/或取向的期望公差。第二光学部件可以在保持对准的情况下布置在载体基板上，并且也可以例如借助于施加到载体基板和/或第二光学部件的粘合剂而临时或永久地固定在载体基板上。
替代地，在第一光学部件和第二光学部件被布置在载体基板上时，可以首先将第二光学部件布置在载体基板上，并且其余过程可以类似于上述情况执行，但是其中分别涉及第一光学部件或第二光学部件的步骤可以对应地替换或改动。
可以规定，第一波导体与第一光学部件的前侧相距第一距离，第二波导体与第二光学部件的前侧相距第二距离，在将第一和第二光学部件布置在载体基板上时第一和第二光学部件的前侧朝向载体基板，并且第一和第二光学部件的相互对准包括：
调节第一和第二距离，以用于将第一和第二波导体沿垂直于参考平面的法向方向相互对准。
第一和第二距离的调节可以进一步包括将若干层施加到第一和/或第二光学部件的前侧，其中例如可以使用上述的层沉积处理，例如取向附生或PECVD。
可以选择地以通常用于处理对应的系统的不同方式进一步处理光学系统。这可以例如包括移除载体基板和/或以合适的填充材料填充光学部件之间的剩余的间隙和/或使表面变薄和/或施加电接触部。
所述方法可以使用通常用于制造电子、光学或电-光部件和系统的系统和设备来实施，例如使用倒装式焊接器(Flip-Chip-Bonder)来实施。
应提到的是，所述方法的步骤和子步骤不必以特定的顺序执行，而是可以根据具体的实施方式来确定顺序。
附图说明
下文参考图1至图6解释了本发明的示例性实施例。其中各图示意性地示出：
图1示出固定在载体基板上的第一光学部件的横截面，
图2示出第二光学部件的横截面，
图3示出通过使用图1和图2所示的光学部件制成的光学系统的部分的俯视图，
图4示出根据另一示例的光学系统的部分的俯视图，
图5a至图5h示出在用于制造在图3中图示的光学系统的方法的不同的步骤期间在图1至图3中所示的光学部件的横截面，
图6示出在根据另一示例的方法步骤中根据另一示例的光学部件的横截面。
具体实施方式
在图1中以横截面示出的第一光学部件100被构造为集成光路(PIC)。第一光学部件100具有第一波导体101，在所示的示例中，所述第一波导体101形成为SiO2层中的氮化物波导体(基于SiNx)。包含第一波导体101的SiO2层102布置在硅层103上。第一波导体101也可以以不同的方式形成，例如通过布置在SiO2层102上的另一硅层(绝缘体上硅结构，SOI)的光刻结构化形成。然后，可以可选地附加地通过薄氧化物钝化来保护第一波导体101。
SiO2层102布置在第一光学部件100的前侧104上，硅层103布置在第一光学部件100的后侧105上。第一波导体101通向第一光学部件100的垂直于前侧104的端面109。第一光学部件100特别是边缘发射的光学部件。
第一光学部件100通过粘合剂层301固定在用作载体基板300的玻璃晶片上，但是替代地也可以将第一光学部件100以不同的方式例如通过焊料层固定在其上。
第一光学部件100具有凹部106，所述凹部106从前侧104到后侧105穿过第一光学部件100。凹部106也可以仅部分地穿过第一光学部件100。第一光学部件100在凹部106的边缘107处变薄，并且使得凹部在硅层103的区域内比在波导体101和SiO2层102的区域内具有更大的横截面，使得形成台阶108。台阶108在此足够薄，使得从第一光学部件100的后侧105可见第一标记组110的对应部分。凹部106也可以被设计为无台阶或不变薄，例如使得凹部106沿法向方向在各处具有相同的横截面。
在图2中以横截面示出的第二光学部件200具有第二波导体201，所述第二波导体布置在第一基板层202和第二基板层203之间，其中基板层202和203以III/V族材料实现。第一基板层202布置在第二光学部件200的前侧204，第二基板层203布置在第二光学部件200的后侧205。第二波导体201通向第二光学部件200的垂直于前侧204的端面209。第二光学部件200特别是边缘发射的光学部件。
第二波导体201可以与第一波导体101光学耦合。通过机械抛光或通过光刻结构化干法蚀刻来制备端面209，在所述端面209上第二波导体201与第一波导体101光学耦合。替代地，可以例如通过沿限定的晶面断开来制备端面209。
通过沉积处理制备前侧层102和202，使得得到精确限定的层厚度。
光学部件100和200以及载体基板300也可以以与上述示例不同的方式或由不同的材料形成。例如，光学部件100和200的至少一个可以具有半导体芯片(例如硅芯片)、集成光路(PIC)、绝缘体上硅芯片、陶瓷芯片和/或玻璃芯片。此外，载体基板300可以包含例如硅或其他半导体材料、陶瓷、玻璃或聚合物的材料，或由所述材料制成。波导体101和201的至少一个可以包含聚合物、玻璃、氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiO2内的Si3N4)和/或硅(例如SiO2上的Si)。
在图3中以俯视图示出的光学系统400包括带有凹部106的第一光学部件100，布置在凹部106内的第二光学部件200和载体基板300(在此未示出)，其中第一光学部件100和第二光学部件200分别布置在载体基板300上，并且通过粘合剂层301固定。第一光学部件100具有第一标记组110，所述第一标记组110由平行于第一波导体101走向的线(即，线形元件)形成，并且因此具有相对于第一波导体101限定的位置和取向。第二光学部件200具有第二标记组210，所述第二标记组210由平行于第二波导体201走向的线形成，并且因此具有相对于第二波导体201的限定的位置和取向。因此，根据第一标记组110和第二标记组210的相对位置和/或取向可检测第一光学部件100和第二光学部件200是否在平行于前侧104和204并且因此也平行于载体基板300的表面的参考平面内相互对准，使得实现第一波导体101和第二波导体201的光学耦合。
标记组110和210与相应的波导体101和201分别在共同的工作步骤中并且通过光刻处理借助于共同的掩模被制造，并且因此被嵌入到光学部件100和200内。标记组110和210也可以以替代方式形成，例如标记组110和210可以包括施加到光学部件100和200的前侧104和204的金属元素。如果波导体101和202清晰可见，则波导体101和202本身也可以用作标记组或标记组的部分。
标记组110和210形成游标结构的部分。由光学部件100和200在标记组110和210的区域内在端面109和209上形成的边缘也可以被视为标记组的部分，因为所述边缘导致与游标结构的线形元件的限定的交点。
在第一标记组110的区域内，与边缘107的其他区域相比，台阶108被加宽。
在图4中以俯视图示出的光学系统400'包括带有第一波导体101和凹部106的第一光学部件100'以及带有第二波导体201的第二光学部件200'。与光学部件100和200的部件组110和210不同，光学部件100'和200'的部件组110'和210'分别由两个平行于波导体101和201走向的线形对准标记(111、112；211、212)构建。对准标记对111/112和211/212分别具有对应于第二光学部件200'的尺寸而最大化的距离。
当然，标记组110/210或110'/210'也可以不同地构建，例如其中的至少一个可以具有至少一个十字形和/或圆形和/或椭圆形和/或多边形的元件。
下文根据图5a至图6描述光学系统400的其他方面、光学部件100和200的其他方面、以及用于制造光学系统400的方法的示例性步骤。所述方法包括提供第一光学部件100、第二光学部件200和载体基板300，将第一光学部件100和第二光学部件200布置在载体基板300上，使得将第二光学部件200布置在第一光学部件100的凹部106内，并且将第一光学部件100和第二光学部件200相互对准，使得实现第一波导体101与第二波导体201的光学耦合。为此，将第一标记组110和第二标记组210在参考平面内相互对准。
在图5a至图6中，分别示出的部件的侧被示出为向上取向，所述侧在相应的方法步骤中也示出为向上，即背对用于所述方法的处理设备的工件载体。如果在连续的处理步骤之间将部件翻转，则附加地对此指出。
处理设备可以例如是用于平坦基板，特别是半导体部件的通常的粘合机。
图5a示出了带有第一波导体101、SiO2层102和硅层103的部分处理的形式的光学部件100，其中SiO2层102可达以进行处理。
图5b示出了第一光学部件100，之后在其他步骤中，将前侧掩模120施加到SiO2层102上并且然后在带有第一波导体101的SiO2层102内蚀刻前侧沟槽121。
然后将第一光学部件100翻转，并且如在图5c中所示将第一光学部件100布置并且固定在载体基板300上。在将后侧掩模122施加到硅层103上之后，在硅层103内蚀刻后侧沟槽123，其中保留芯部124。在移除芯部124之后，第一光学部件具有在图1所示的形状，因此将其提供用于其他方法步骤。
如在图5d所示，现在将第二光学部件200引导到第一光学部件100附近，使得所述第二光学部件200的前侧204朝向所述第一光学部件100的后侧105。
相机单元500带有两个光学器件501和502，所述光学器件501和502布置在相机单元500的对置的侧上，所述相机单元500实现同时将第一光学部件100的台阶108的部分和第二光学部件200的前侧204的部分成像，其中分别检测(此处在横截面中不可见的)标记组110和210的部分。
现在，将光学部件100和200相互对准，其中，将第二光学部件200的位置和取向修正为使得标记组110和210以期望的方式相互对准。可以通过利用相机单元500重复检测标记组110和210来检查所述对准。
现在，在保持所期望的相对取向和横向位置的情况下，将第二光学部件200在第一光学部件100的凹部106内布置在载体基板300上，并通过粘合剂层301将第二光学部件200固定在载体基板300上。
在这种情况下，由于前侧的层102和202的精确限定的层厚度，第一光学部件100的前侧104和第一波导体101之间的第一距离以及第二光学部件204和第二波导体201之间的第二距离被调节，使得由此沿法向方向调节第一光学部件100和第二光学部件200的期望的相对位置和取向，并且因此波导体101和201也沿法向方向相互对准，使得实现其光学耦合。
因此，由于波导体101和201横向地以及法向地相互精确地对准，所以建立了波导体101和201的光学耦合。
图5f至5h示出了可选的另外的方法步骤，以所述方法步骤可以进一步处理光学系统400。
在此，如图5f所示，在波导体101和201之间的任何剩余的间隙被填充以光学填充材料401，其中所述光学填充材料401具有有利于光学耦合的特性(波长透射、折射率、色散函数等)。
另外，将牺牲结构402施加在第二光学部件200的后侧205上，只要此牺牲结构402相对于第一光学部件205的后侧105沿法向方向背向设置即可。
然后，参见图5g，以浇注材料403填充光学部件100和200之间的剩余的间隙，并且通过研磨将(硬化后的)浇注材料403、第二硅层103和牺牲结构402变薄为共同的后侧405。
如图5h所示，在翻转光学系统400并且移除载体基板300之后，光学部件100和200可以在现在暴露的前侧404上与薄膜多层布线406电接触并且设有凸块(接触元件)407。
对于技术人员而言显而易见的是，当然可以调整方法的步骤的数量、类型和顺序(特别是在各待制造的光学系统或所使用的光学部件的特性方面)。
图6示出了图5d所示的方法步骤的可能的替代方案。在此示出的第一光学部件100”的情况中省略了凹部106的边沿处的台阶的形成，所述第一光学部件100”除去第二部件200”之外则是光学系统400”的部分。通过使用光学透明的载体基板300”可通过仅具有一个光学器件501'的相机单元500'通过载体基板300”来成像光学部件以用于对准。在此，将相机单元500'相继地放置在不同的位置(通过箭头所示)处，其中不同的焦平面能够分别被调节。
附图标记列表
100、100'、100” 第一光学部件
101 第一波导体
102 SiO2层
103 硅层
104 前侧
105 后侧
106 凹部
107 边缘
108 台阶
109 端面
110、110' 第一标记组
111 第一对准标记
112 第二对准标记
120 前侧掩模
121 前侧沟槽
122 后侧掩模
123 后侧沟槽
124 芯部
200、200'、200” 第二光学部件
201 第二波导体
202 第一基板层
203 第二基板层
204 前侧
205 后侧
209 端面
210、210' 第二标记组
211 第一对准标记
212 第二对准标记
300、300” 载体基板
301 粘合剂层
400、400'、400” 光学系统
401 光学填充材料
402 牺牲结构
403 浇注材料
404 前侧
405 后侧
406 薄膜多层布线
407 凸块
500、500' 相机单元
501、501' 第一光学器件
502 第二光学器件
Claims (12)
1.光学系统（400、400'、400''），包括：
第一光学部件（100、100'、100''），其具有第一波导体（101）和凹部（106），所述凹部（106）从前侧（104）到与所述前侧（104）对置的后侧（105）至少部分地穿过所述第一光学部件（100、100'、100''），其中，所述第一波导体（101）被布置在位于所述第一光学部件（100）的前侧的一层或者多层中的一层中，第二光学部件（200、200'、200''），其布置在所述第一光学部件（100、100'、100''）的所述凹部（106）内，并且具有能够与所述第一波导体（101）光学耦合的第二波导体（201），其中,所述第二波导体（201）被布置在位于所述第二光学部件（200）的前侧的一层或者多层中的一层中，
载体基板（300、300''），其中所述第一光学部件（100、100'、100''）和所述第二光学部件（200、200'、200''）分别布置在所述载体基板（300、300''）上，使得所述第一光学部件和第二光学部件的相应前侧（104，204）朝向载体基板（300），其中
所述第一光学部件（100、100'、100''）具有带有相对于所述第一波导体（101）的限定的位置和/或取向的第一标记组（110、110'），所述第二光学部件（200、200'、200''）具有带有相对于所述第二波导体（201）的限定的位置和/或取向的第二标记组（210、210'），所述第一标记组（110、110’）被布置在相对于所述第一光学部件（100、100’、100”）的后侧更靠近前侧（104）处，所述第二标记组（210、210’）被布置在相对于第二光学部件（200、200’、200’’）的后侧（205）更靠近前侧（204）处，并且根据所述第一和第二标记组（110、110'；210、210'）的相对位置和/或取向能够确定所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）是否在平行于所述载体基板（300、300''）的表面的参考平面内相互对准至使得所述第一和第二波导体（101、201）的光学耦合能够实现。
2.根据权利要求1所述的光学系统（400、400'、400''），其中所述第一波导体（101）与所述第一光学部件（100、100'、100''）的所述前侧（104）具有第一距离，所述第二波导体（201）与所述第二光学部件（200、200'、200''）的所述前侧（204）具有第二距离，所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）的前侧（104、204）朝向所述载体基板（300、300''），并且将所述第一和第二距离选择为使得由此调节所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）沿与所述参考平面垂直的法向方向的相互相对位置和/或取向，使得实现所述第一和第二波导体（101、201）的所述光学耦合。
3.根据权利要求2所述的光学系统（400、400'、400''），其中通过布置在所述第一和/或第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）的前侧（104、204）上的若干层调节所述第一和/或第二距离。
4.根据前述权利要求1或2所述的光学系统（400、400'、400''），其中所述标记组（110、110'；210、210'）中的至少一个的至少一部分通过所述波导体（101、201）中的一个的部分实现或包含所述部分，和/或其中所述标记组（110、110'；210、210'）中的至少一个的至少一部分是所述光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）中的一个的边缘或包含所述边缘，和/或所述标记组（110、110'；210、210'）中的至少一个的至少一部分通过光刻方法施加到所述光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）中的一个上或嵌入到所述光学部件内。
5.根据前述权利要求1或2所述的光学系统（400、400'、400''），其中在共同的工作步骤中和/或以共同的掩模通过光刻方法制造所述标记组（110、110'；210、210'）中的至少一个的至少一部分和所述波导体（101、201）中的至少一个的至少一部分。
6.根据前述权利要求1或2所述的光学系统（400、400'、400''），其中将所述第一光学部件（100、100'、100''）的至少一部分变薄，使得所述第一标记组（110、110'）的至少一部分能够从所述第一光学部件（100、100'、100''）的所述后侧（105）被检测到。
7.根据前述权利要求1或2所述的光学系统（400、400'、400''），其中所述标记组（110、110'；210、210'）中的至少一个具有至少一个线形和/或十字形和/或圆形和/或椭圆形和/或多边形的元件和/或多个平行的线和/或游标结构。
8.根据前述权利要求1或2所述的光学系统（400、400'、400''），其中所述光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）中的至少一个具有半导体芯片、集成光路、绝缘体上硅芯片、陶瓷芯片和/或玻璃芯片，且/或其中所述波导体中的至少一个包含聚合物、玻璃、氧化物、氮化物和/或硅。
9.根据前述权利要求1或2所述的光学系统（400、400'、400''），其中所述载体基板（300、300'）能够从所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）移除，和/或其中以填充材料（401、403）填充所述第一光学部件（100、100'、100''）和所述第二光学部件（200、200'、200''）之间的间隙，和/或其中将牺牲结构（402）施加在所述第二光学部件（200、200'、200''）的背对所述载体基板（300、300'）的后侧（205）上，和/或其中将所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）的表面变薄到共同的后侧（405）。
10.用于制造光学系统（400、400'、400''）的方法，其包括：
提供第一光学部件（100、100'、100''），所述第一光学部件（100、100'、100''）具有第一波导体（101）和凹部（106），所述凹部（106）从前侧（104）到与所述前侧（104）对置的后侧（105）至少部分地穿过所述第一光学部件（100、100'、100''），其中，所述第一波导体（101）被布置在位于所述第一光学部件（100）的前侧的一层或者多层中的一层中；提供第二光学部件（200、200'、200''），所述第二光学部件（200、200'、200''）具有第二波导体（201），其中,所述第二波导体（201）被布置在位于所述第二光学部件（200）的前侧的一层或者多层中的一层中；和提供载体基板（300、300''），
将所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）布置在所述载体基板（300、300''）上，使得将所述第二光学部件（200、200'、200''）布置在所述第一光学部件（100、100'、100''）的所述凹部（106）内，并且所述第一光学部件和第二光学部件的相应前侧（104，204）朝向载体基板（300），
将所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）相互对准至使得所述第一波导体（101）与所述第二波导体（201）产生光学耦合，其中
所述第一光学部件（100、100'、100''）具有带有相对于所述第一波导体（101）限定的位置和/或取向的第一标记组（110、110'），所述第二光学部件（200、200'、200''）具有带有相对于所述第二波导体（201）限定的位置和/或取向的第二标记组（210、210'），所述第一标记组（110、110’）被布置在相对于所述第一光学部件（100、100’、100”）的后侧更靠近前侧（104）处，所述第二标记组（210、210’）被布置在相对于第二光学部件（200、200’、200’’）的后侧（205）更靠近前侧（204）处，并且所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）的相互对准包括：
将所述第一和第二标记组（110、110'、210、210'）相互对准，以用于将所述第一和第二波导体（101、201）在与所述载体基板（300、300''）的表面平行的参考平面内相互对准。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一波导体（101）具有与所述第一光学部件（100）的所述前侧（104）的第一距离，所述第二波导体（201）具有与所述第二光学部件（200）的所述前侧（204）的第二距离，在将所述第一和第二光学部件（100、200）布置在所述载体基板（300）上时所述第一和第二光学部件（100、200）的前侧（104、204）朝向所述载体基板（300），并且所述第一和第二光学部件（100、200）的相互对准包括：
调节所述第一和第二距离，以用于将所述第一和第二波导体（101、201）沿垂直于所述参考平面的法向方向相互对准。
12.根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括：从所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）移除所述载体基板（300、300'），和/或以填充材料（401、403）填充所述第一光学部件（100，100'，100''）和所述第二光学部件（200，200'，200''）之间剩余的间隙，和/或将牺牲结构（402）施加在所述第二光学部件（200、200'、200''）的背对所述载体基板（300、300'）的后侧（205），和/或将所述第一和第二光学部件（100、100'、100''；200、200'、200''）的表面变薄到共同的后侧（405），和/或将电接触部（406、407）施加在通过移除所述载体基板（300、300'）而被暴露的所述光学系统（400、400'、400''）的前侧（404）。
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