DE102010004442B4

DE102010004442B4 - Optisches Bauelement zur Lichtwellenleitung, optisches Steckverbindungssystem mit einem solchen Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements

Info

Publication number: DE102010004442B4
Application number: DE102010004442.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kufner Stefan; Dr. Kufner Maria; Andreas Weinert; Ludwig Ross; Hans-Jürgen Guttmann
Original assignee: Leoni Kabel Holding GmbH
Current assignee: Weinert Industries Ag De
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: DE102010004442A1

Abstract

Das optische Bauelement (2), insbesondere ein passives Bauelement (2), mit einem in einem Trägersubstrat (4) integrierten Lichtwellenleitermuster (18) ist insbesondere als ein Combiner für einen Hochleistungs-Faserlaser ausgebildet. Das Bauelement (2) weist zwei vorzugsweise identische planare Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) mit integrierten Wellenleiterhälften (6A, 6B) auf, die durch feldunterstützte Ionendiffusion ausgebildet sind. Die beiden Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) sind miteinander ohne die Verwendung eines polymeren Klebstoffes verbunden derart, dass die jeweiligen Wellenleiterhälften (6A, 6B) einen Wellenleiter (6) bilden. Dadurch ist im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzkopplern eine höhere Designmöglichkeit bei der Ausbildung des Wellenleitermusters (18) möglich und es können eine Vielzahl von gängigen Lichtleitfasertypen angekoppelt werden, auch solche, die bei Schmelzkopplern nicht eingesetzt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement zur Lichtwellenleitung mit einem in einem Trägersubstrat integrierten Wellenleitermuster, insbesondere ein passives Bauelement, bei dem mehrere Wellenleiter zu einem gemeinsamen Wellenleiter zusammengeführt sind.
Das optische Bauelement wird aufgrund seiner integrierten optischen Funktion allgemein auch als Lichtwellenleiterchip bezeichnet. Derartige optische Bauelemente weisen üblicherweise eine durch das Trägersubstrat bestimmte planare Bauform auf. Das Trägersubstrat ist üblicherweise Glas, in das durch eine geeignete Bearbeitung eine Anzahl von Wellenleitern integriert sind, die ein gewünschtes Wellenleitermuster bilden. Vorzugsweise wird hierbei das Wellenleitermuster durch einen Ionendiffusionsprozess erzeugt. Die Strukturierung des Leiterbahnmusters erfolgt vorzugsweise auf lithografischem Weg. Bei dieser lithografischen Strukturierung wird ein Fotolack auf das Trägersubstrat aufgebracht und es wird eine das Lichtwellenleitermuster wiedergebende Maske erzeugt. Anschließend wird eine geeignete, die Ionen für den Diffusionsprozess bereitstellende Substanz, insbesondere eine geeignete Salz-Lösung, aufgetragen. Zur Ausbildung der Wellenleiter werden beispielsweise Natrium-Ionen oder Silber-Ionen in das Trägersubstrat eindiffundiert. Die Diffusion wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes unterstützt. Andere Strukturierungsverfahren, wie beispielsweise CVD (Chemical Vapor Deposition) können ebenfalls herangezogen werden.
Üblicherweise sind an den gegenüberliegenden Stirnseiten des typischerweise planaren Bauelements Eingänge und Ausgänge bereitgestellt. An diesen sind zur Übertragung eines optischen Signals Anschlussträger angekoppelt, die ein oder mehrere Lichtwellenleiter-Fasern aufweisen und diese an die stirnseitigen Eingänge bzw. Ausgänge des Bauelements ankoppeln. Werden mehrere Lichtwellenleiter-Fasern an einer Stirnseite angekoppelt, so wird der Anschlussträger auch als Faser-Array bezeichnet.
Zur Erzeugung von Laserlicht sind so genannte Faser-Laser bekannt. In Faser-Lasern wird allgemein Pumplicht von mehreren einzelnen Laserquellen (Pump-Laserdioden) mit Hilfe von Glasfasern zu einer gemeinsamen Mischregion geleitet, der so genannten Combiner-Region. Mit Hilfe eines Combiners wird das zusammengeführte Licht in eine weiterführende Lichtwellenleiterfaser eingekoppelt. Diese weist typischerweise ein nicht lineares Medium auf. Üblicherweise wird ergänzend das Licht in eine andere Wellenlänge transformiert und verstärkt. Dieses Licht dient dann als neue sekundäre Laserquelle mit hoher Leistung, typischerweise größer 1 Watt. Faser-Laser mit sehr hoher Leistung, so genannte High-Power-Faser-Laser, werden industriell beispielsweise zum Schweißen oder Schneiden eingesetzt. Derartige High-Power-Faser-Laser erreichen Leistungen im Kilowatt-Bereich.
Bei Hochleistungs-Lasern werden als Combiner so genannte Schmelzkoppler eingesetzt. Zur Herstellung eines derartigen Schmelzkopplers werden mehrere Lichtleiterfasern verdrillt und anschließend unter Ziehen aufgeschmolzen. Aufgrund des vergleichsweise undefinierten Bearbeitungsprozesses können derartige Schmelzkoppler nur mit vergleichsweise hohem Ausschuss gefertigt werden. Weiterhin eignen sich nicht alle Fasertypen für eine Herstellung durch Verschmelzen.
Aus der US 4 384 038 A ist ein planares optisches Bauteil zu entnehmen, welches aus zwei Trägersubstrat-Hälften zusammengesetzt ist. Zur Ausbildug einer Wellenleiterstruktur werden zunächst in jede Trägersubstrat-Hälfte Nuten eingebracht. Anschließend wird über ein Plasmabeschichtungsverfahren dotiertes Glas schichtweise abgeschieden, sodass die Nuten gefüllt werden. Überschüssiges Material wird abgeschliffen. Anschließend werden die so preparierten beiden Hälften zusammengefügt, sodass sich zwei Wellenleiterhälften zu einem gemeinsamen Wellenleiter ergänzen.
Aus der US 5 325 451 A ist der Anschluss von faseroptischen Leitungen an ein planares optisches Bauteil nach Art einer Steckverbindung zu entnehmen.
Weitere planare optische Bauelemente sind zu entnehmen aus der US 2003 / 0 114 006 A1 , der US 5 887 097 A , der EP 0 933 656 A2 sowie der US 5 526 449 A . Aus der DE 10 2007 025 465 B3 ist die Verwendung von Lotglas zum Verlöten zweier Glasteile miteinander zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauelement anzugeben, welches insbesondere auch für High-Power-Anwendungen geeignet ist und eine hohe Qualität aufweist.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein optisches, insbesondere passives Bauelement zur Lichtwellenleitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Bauelement weist ein in einem Trägersubstrat, insbesondere Glas, integriertes Wellenleitermuster auf, bei dem zwei vorzugsweise identische planare Trägersubstrat-Hälften mit darin ausgebildeten Wellenleiterhälften vorgesehen sind. Die beiden Trägersubstrat-Hälften sind miteinander verbunden derart, dass die jeweiligen Wellenleiterhälften sich zu einem Wellenleiter ergänzen.
Die Wellenleiterhälften sind hierbei in an sich bekannter Weise durch insbesondere feldunterstützte Ionendiffusion ausgebildet. Die Wellenleiterhälften weisen im Querschnitt gesehen üblicherweise eine halbkreisförmige Querschnittsform auf und ergänzen sich im zusammengefügten Zustand zu einem zylindrischen Wellenleiter mit kreisrundem Querschnitt. Das Wellenleitermuster erstreckt sich in Längsrichtung des Bauelements von einer Stirnseite zu einer gegenüberliegenden Stirnseite des Trägersubstrats. Das Bauelement weist allgemein eine planare, beispielsweise quaderförmige Geometrie mit gegenüberliegenden Flachseiten auf.
Das Wellenleitermuster weist eine verzweigte Struktur auf, bei der mehrere Wellenleiter zu einem gemeinsamen Wellenleiter zusammengeführt sind. Das Bauelement ist dabei vorzugsweise als so genannter Combiner oder als so genannter Splitter ausgebildet. Bei einem Combiner werden mehrere Eingänge des Bauelements auf einen Ausgang zusammengeführt. Bei einem Splitter wird ein Eingang auf mehrere Ausgänge aufgeteilt. Ein derartiger Splitter dient zur Verteilung eines optischen Signals auf mehrere Faserstränge bzw. auf mehrere Verbraucher.
Das optische Bauelement zeichnet sich insgesamt durch das Zusammenfügen der beiden Trägersubstrat-Hälften aus, so dass sich der jeweilige integrierte Wellenleiter aus zwei Wellenleiterhälften zusammensetzt. Dieser Aufbau ermöglicht zum einen den Einsatz des hochgenauen und sehr gut reproduzierbaren lithografischen Verfahrens zur Erzeugung von definierten Lichtwellenleitermustern innerhalb des Trägersubstrats. Gleichzeitig lassen sich durch die Zweiteilung Wellenleiter mit vergleichsweise großer Leiterquerschnittsfläche ausbilden, so dass sich das Bauelement auch für Anwendungen im hohen Leistungsbereich eignet.
Zweckdienlicherweise ist daher auch vorgesehen, dass der Wellenleiter als Multimode-Wellenleiter ausgebildet ist und insbesondere einen Durchmesser im Bereich von 50 μm bis etwa 1 mm aufweist. Ein derartiges Bauelement wird vorzugsweise als Combiner für einen High-Power-Faser-Laser eingesetzt.
Bei derartigen High-Power-Anwendungen ist eine möglichst verlustfreie Lichtwellenleitung von besonderer Bedeutung. Zweckdienlicherweise ist daher vorgesehen, dass die beiden Trägersubstrat-Hälften kleberfrei miteinander verbunden sind. Unter kleberfrei wird hierbei verstanden, dass die beiden Hälften ohne die Verwendung eines Klebstoffes, insbesondere ohne Verwendung eines Klebstoffes auf Polymer-Basis, miteinander verbunden sind.
Gemäß einer ersten Verbindungsalternative ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Hälften durch so genanntes thermisches Bonden ohne Verwendung einer Zwischenschicht zusammengefügt sind. Bei diesem Verfahren werden die beiden Hälften bei hohen Temperaturen, beispielsweise im Bereich von 500° bis 1000°C gegeneinander gepresst. Zwischen den Hälften wird bei diesem Verfahren keinerlei Haftvermittler oder dergleichen eingesetzt. Die Hälften kommen unmittelbar aufeinander zum Liegen. Beim so genannten direkten Bonden ist die Verbindung durch Van der Waals-Wechselwirkungen erzeugt. Neben dem direkten Bonden ist auch das so genannte anodische Bonden bekannt. Ein besonderer Vorteil des thermischen Bond-Prozesses ist darin zu sehen, dass während des Bond-Prozesses ein thermischer Ausgleich der Wellenleiter-Diffusionsprofile der beiden Hälften stattfindet, dass sich also an der Grenzschicht Konzentrationsgradienten der eindiffundierten Ionen verringern und aneinander angleichen, so dass ein möglichst homogener Übergang erzielt wird.
Alternativ zum thermischen Bonden werden die Hälften vorzugsweise einfach durch das so genannte Ansprengen miteinander verbunden. Bei diesem werden die beiden Hälften mit ihren planen Flachseiten aufeinandergelegt. Die Oberflächen müssen hierbei – wie auch beim thermischen Bonden – besonders planar und glatt und zudem frei von irgendwelchen Ablagerungen sein. Die Verbindung erfolgt ähnlich wie beim thermischen Bonden durch Van-der-Vaals-Wechselwirkungen und ohne die Verwendung einer Zwischenschicht. Im Unterschied zum thermischen Bonden werden jedoch bei der Ausbildung der Verbindung keine erhöhten Temperaturen angelegt. Die Verbindung ist daher in der Regel schwächer als beim thermischen Bonden. Ergänzend ist daher beim Ansprengen vorzugsweise vorgesehen, dass die Hälften mechanisch beispielsweise durch Halterungen, Klammern oder dergleichen aneinander fixiert sind. In einer bevorzugten Alternative werden die Hälften durch Diffusionsverschweißen dauerhaft miteinander verbunden.
Als dritte Verbindungsvariante ist weiterhin in bevorzugter Ausgestaltung die Verwendung einer Zwischenschicht, nämlich einer dünnen Lotglasschicht vorgesehen. Diese weist vorzugsweise im Ausgangszustand eine Dicke von maximal 100 nm auf. Vorzugsweise ist die Dicke der ausgebildeten Lotglasschicht kleiner dem 0,1-fachen des Querschnitts des Wellenleiters. Lotgläser sind allgemein zum Verbinden zweier Glasteile mittels Verlöten bekannt und zeichnen sich durch ihre geringe Schmelz- und Löttemperatur von ≤ 600°C aus. Ein bleifreies Lotglas wird beispielsweise in der DE 10 2007 025 465 B3 beschrieben. Die Lotglasschicht wird durch geeignete Auftragsverfahren, wie Sputterverfahren, CVD-Verfahren, aufgebracht. Der besondere Vorteil dieser dünnen Lotglasschicht ist darin zu sehen, dass sie aufgrund ihrer extrem geringen Dicke im Nanometerbereich die Lichtwellenleitung an der Grenzschicht zwischen den beiden Wellenleiterhälften nicht beeinträchtigt, da die Dicke der Lotglasschicht deutlich kleiner ist als die Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts.
Das Bauelement ist zur Ausbildung einer Steckverbindung vorgesehen und weist hierzu im Trägersubstrat Stecköffnungen auf. Zur Ausbildung der Stecköffnungen sind in den Trägersubstrat-Hälften jeweils Nuthälften vorgesehen, die sich im zusammengefügten Zustand zu der Stecköffnung ergänzen. Um eine hohe Positioniergenauigkeit zu erzielen, sind die Nuthälften hierbei insbesondere als so genannte V-Nuten, also als Nuten mit einer V-förmigen Querschnittsfläche eingebracht. In diese Stecköffnungen greift zur Ausbildung einer Steckverbindung ein Verbindungsstift bzw. Positionierstift ein, um eine hochgenaue Ausrichtung des Bauelements mit einem weiteren Steckverbindungselement zum Ankoppeln von Lichtwellenleiterfasern an den Eingängen bzw. Ausgängen des Bauelements zu ermöglichen. Insbesondere werden hierbei an den Stirnseiten so genannte Faser-Arrays angekoppelt. Alternative Ankopplungstechniken für die Faser-Arrays, wie beispielsweise Kleben, etc. sind prinzipiell möglich.
Entsprechend ist zur Ausbildung eines optischen Steckverbindungssystems als erstes Steckverbindungselement ein derartiges Bauelement mit in das Trägersubstrat integrierten ersten Stecköffnungen vorgesehen sowie ein zweites Steckverbindungselement, das Aufnahmen für Lichtleitfasern aufweist bzw. welches Lichtleitfasern aufweist. Die Aufnahmen bzw. die Lichtleitfasern weisen dabei jeweils einen Rasterabstand auf, der identisch zu dem Rasterabstand der einzelnen im Bauelement integrierten Wellenleiter ist. Die Aufnahmen bzw. die Lichtleitfasern der Steckverbindungselemente sind daher korrespondierend zu den Wellenleitern des Bauelements ausgerichtet, fluchten also mit diesen exakt. Das zweite Steckverbindungselement weist weiterhin zweite Stecköffnungen oder Steckstifte auf, die zu den ersten Stecköffnungen ausgerichtet sind, also ebenfalls mit diesen fluchten. Die Aufnahmen des zweiten Steckverbindungselements sind vorzugsweise zumindest in einem Bereich ihres Umfangs V-förmig ausgebildet, um eine hohe Positioniergenauigkeit zu erzielen. Sind beim zweiten Steckverbindungselement die Steckstifte bereits integriert, so braucht das Steckverbindungselement lediglich noch in die Stecköffnungen des Bauelements eingesteckt zu werden. Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, das Bauelement mit integrierten Steckstiften anstelle der Stecköffnungen zu versehen und lediglich im zweiten Verbindungselement Stecköffnungen vorzusehen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen optischen Bauelements gemäß Anspruch 9.
Die im Hinblick auf das Bauelement angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auch auf das Verfahren übertragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
1A in einer perspektivischen vereinfachten Darstellung eine Trägersubstrat-Hälfte mit randseitig eingebrachten V-Nuten und integrierten Wellenleiterhälften,
1B ein optisches Bauelement in einer stark vereinfachten Darstellung aus zwei zusammengefügten, identischen Trägersubstrat-Hälften gemäß 1A,
2 eine perspektivische Darstellung einer Steckverbindung zwischen dem Bauelement gemäß 1B und einem zweiten Steckverbindungs-Element mit Lichtleitfasern und Steckstiften,
3 eine stark vereinfachte Darstellung eines Faser-Lasers mit einem als Combiner ausgebildeten Bauelement.
4 eine stark vereinfachte schematische Aufsicht auf eine optische Baugruppe, bestehend aus einem optischen Bauelement, an dessen einer Stirnseite ein Umlenkelement und an dessen anderer Stirnseite ein Faser-Array angekoppelt ist,
5A eine stark vereinfachte Aufsicht-Darstellung auf ein gemeinsames Trägersubstrat mit mehreren optischen Bauelementen, wobei ergänzend gemeinsame Eingangs-Faser-Arrays und Ausgangs-Faser-Arrays vorgesehen sind,
5B die einzelnen Bauelemente mit den angekoppelten Faser-Arrays gemäß 5A nach einer mechanischen Auftrennung.
Gleich wirkende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in den 1A, 1B dargestellte optische Bauelement 2 weist ein Trägersubstrat 4 auf, welches üblicherweise Glas ist. In das optische Bauelement 2 sind mehrere Wellenleiter 6 integriert, die ein Wellenleitermuster bilden. Die Wellenleiter 6 sind hierbei durch einen Ionendiffusionsprozess im Trägersubstrat 4 eingebracht. Ergänzend weist das optische Bauelement 2 randseitig zwei erste Stecköffnungen 8 auf. Das optische Bauelement 2 weist insgesamt eine planare Geometrie auf und ist im Ausführungsbeispiel als Quader ausgebildet. Die Wellenleiter 6 erstrecken sich in Längsrichtung von einer planaren Stirnseite 10 zu einer gegenüberliegenden ebenfalls planaren Stirnseite 10.
Das optische Bauelement 2 ist zusammengesetzt aus zwei identischen Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B. In diesen sind jeweils Wellenleiterhälften 6A, 6B ausgebildet, die sich im zusammengefügten Zustand zum Wellenleiter 6 ergänzen. Zur Ausbildung der ersten Stecköffnungen 8 sind in den Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B jeweils Nuthälften 8A eingearbeitet, die vorzugsweise V-förmig ausgebildet sind.
Die Wellenleiterhälften 6A, 6B werden in an sich bekannter Weise durch eine feldunterstützte Ionendiffusion in die jeweilige Trägersubstrat-Hälfte 4A, 4B eingebracht. Aufgrund des Diffusionsprozesses bilden sich typischerweise etwa halbkreisförmige Profile für die Wellenleiterhälften aus. Je nach gewünschter Größe und Diffusionsprozess können auch andere Querschnittsgeometrien abweichend von der strengen halbkreisförmigen Querschnittsgeometrie erreicht werden, beispielsweise eine eher langgestreckte halb-ellipsenförmige Geometrie.
Die Breite bzw. der Durchmesser D der Wellenleiterhälften 6A, 6B ist in weiten Bereichen je nach dem gewünschten Anwendungszweck einstellbar. Für den bevorzugten Anwendungszweck für Hochleistungs-Anwendungen sind die Wellenleiter 6 vorzugsweise als Multimode-Wellenleiter ausgebildet. Der Durchmesser D liegt hierbei vorzugsweise im Bereich von 50 μm bis 1 mm.
Das Zusammenfügen der beiden Trägersubstrat-Hälften erfolgt ohne die Verwendung von polymeren Klebern, so dass die Lichtausbreitung im Wellenleiter nicht durch eine Störschicht zwischen den beiden Wellenleiterhälften 6A, 6B behindert wird. Die Verbindung der beiden Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines thermischen Bond-Prozesses, bei dem die beiden Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B bei hohen Temperaturen ohne eine weitergehende Zwischenschicht unmittelbar aufeinander gepresst werden. Alternativ zu dem thermischen Bond-Prozess werden die beiden Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B durch das so genannte Ansprengen verbunden oder es wird eine dünne Schicht im Nanometerbereich aus einem Lotglas aufgebracht und die beiden Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B werden im Vakuum miteinander verschmolzen. Die Lotglasschicht 9 ist in 1B beispielhaft durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Durch diesen speziellen Aufbau des optischen Bauelements 2 aus den beiden vorzugsweise identischen Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B wird aufgrund der lithografischen Herstellung der Multimode-Wellenleiter 6 eine sehr hohe Design-Freiheit bei der Ausbildung eines speziellen Leiterbahn-Musters innerhalb des Trägersubstrats 4 ermöglicht. Damit stehen – im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzkoppler-Combinern – vielfältigere Strukturierungsmöglichkeiten zur Verfügung. Zudem ist die hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der lithografischen Herstellung der integrierten Multimode-Wellenleiter von besonderem Vorteil.
Weiterhin ist von besonderem Vorteil, dass der Durchmesser D in einem weiten Bereich wählbar ist, so dass sich problemlos auch Multimode-Wellenleiter für die Übertragung von hohen Leistungen ausbilden lassen. Schließlich ist es auch möglich, die numerische Apertur des jeweiligen integrierten Wellenleiters in einem weiten Bereich an die anzukoppelnde Lichtleitfaser anzugleichen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die numerische Apertur des jeweiligen Wellenleiters in einem Bereich bis 0,4 angeglichen werden kann. Hierdurch besteht auch die Möglichkeit, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Fasertypen verwendet werden können, die teilweise nicht in einem Schmelzverfahren zur Herstellung von Schmelzkopplern eingesetzt werden können, wie beispielsweise so genannte PCS-Fasern.
Die in das Trägersubstrat 4 integrierten ersten Stecköffnungen 8 dienen zur Ausbildung eines optischen Steckverbindungssystems mit dem Bauelement 2 als erstes Steckverbindungselement und mit einem zweiten insbesondere als Faser-Array ausgebildeten zweiten Steckverbindungselement 12. Das zweite Steckverbindungselement 12 weist ein Trägerelement 14 auf, in dem mehrere Lichtleitfasern 15 in Aufnahmen 13 passgenau einliegen und an einer Stirnseite des Trägerelements 14 münden. Zur genauen Positionierung der Lichtleitfasern 15 sind im Trägerelement 14 bevorzugt Kerben, insbesondere V-Kerben eingearbeitet. Die Lichtleitfasern 15 sind hierbei im gleichen Rastermaß wie die Wellenleiter 6 im optischen Bauelement 2 angeordnet. Das Trägerelement 14 weist ergänzend zwei randseitige Steckstifte 16 auf, die in die Stecköffnungen 8 des Bauelements 2 eingesteckt werden. Die Steckstifte 16 und die Lichtleitfasern 15 sind dabei derart zueinander positioniert, dass beim Zusammenfügen der beiden Steckverbindungselemente 2,12 die Lichtleitfasern 15 exakt mit den Wellenleitern 6 fluchten, so dass also die Stirnendseiten der Lichtleitfasern 15 in genaue Überdeckung mit den Stirnseiten der Wellenleiter 6 kommen.
Die 2 zeigt die beiden Steckverbindungselemente 2, 12 in einem Zwischenzustand, bei dem noch ein Zwischenraum zwischen den beiden Steckelementen 2, 12 ausgebildet ist. Im Endzustand liegt das Trägerelement 14 unmittelbar am Bauelement 2 an. Die Steckstifte 16 sind im Ausführungsbeispiel mit dem Trägerelement 14 verbunden. Alternativ besteht die Möglichkeit, auch im Trägerelement 14 – ähnlich wie beim optischen Bauelement 2 – Stecköffnungen vorzusehen und die Steckstifte 16 als lose Teile auszubilden. Auch können die Steckstifte 16 integrale Bestandteile des Bauelements 2 sein.
Durch die Ankopplung der Lichtleitfasern 15 über das aufsteckbare Trägerelement 14 (Faser-Array), das auch als Ferulle bezeichnet wird, werden Klebestellen bei der Ankopplung der Lichtleitfasern 15 vermieden.
Zu den 1A, 1B wurde das Grundprinzip der Ausgestaltung des optischen Bauelements, gebildet aus zwei identischen Hälften 4A, 4B erläutert. Bei dem optischen Bauelement 2 handelt es sich vorzugsweise um ein passives optisches Bauelement mit integrierter optischer Funktion. Derartige Bauelemente werden allgemein auch als „Wellenleiterchip” in Anlehnung an die Mikrochips aus der Elektronik bezeichnet. Das optische Bauelement ist hierbei insbesondere als Combiner ausgebildet, der vorzugsweise zur Anwendung in Hochleistungs-Faser-Lasern eingesetzt wird. Alternativ zur Verwendung als Combiner wird das Bauelement 2 als Splitter eingesetzt. In beiden Fällen weist das Bauelement eine verzweigte Leiterbahnstruktur (Wellenleitermuster) auf, bei der mehrere Wellenleiter 6 zu einem gemeinsamen Wellenleiter 6 zusammengefasst sind.
3 zeigt stark vereinfacht schematisch den Aufbau eines Faser-Lasers. Dieser weist mehrere Pump-Laserquellen 17 auf, die beispielsweise als Laserdioden ausgebildet sind. Diese koppeln Laserlicht jeweils in eine aktive Lichtleitfaser 15 ein. Die Lichtleitfasern 15 sind gemeinsam eingangsseitig an einem als Combiner ausgebildeten Bauelement 2 angekoppelt. Dieses weist ein Wellenleitermuster 18 auf, bei dem mehrere eingangsseitige Wellenleiter 6 zu einem gemeinsamen ausgangsseitigen Wellenleiter 6 zusammengeführt werden. Ausgangsseitig ist eine gemeinsame abgehende Lichtleitfaser 15 angekoppelt. Die Ankopplung der Lichtleitfasern 15 erfolgt vorzugsweise über Steckverbindungen wie zu 2 beschrieben.
Die 4, 5A und 5B zeigen weiterhin spezielle Ausführungsvarianten von als Splitter ausgebildeten Bauelementen 2.
4 zeigt hierbei eine Ausgestaltung. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass lediglich an einer Seite ein Faser-Array 20 am Bauelement 2 angekoppelt ist und an der gegenüberliegenden Stirnseite 10 des Bauelements 2 lediglich ein Umlenkelement 22 vorgesehen ist. Dieses ist insbesondere als so genannte Gradientenlinse (GRIN-Linse) ausgebildet. Alternativ hierzu ist das optische Umlenkelement aus einer Kombination von mehreren optischen Elementen gebildet, beispielsweise durch ein Umlenkprisma mit Linsen oder einen Umlenkspiegel mit Linsen. Über das Faser-Array 20 wird daher über eine Eingangsfaser 24 Licht in einen Eingangswellenleiter 26 des als Splitter ausgebildeten Bauelements 2 eingekoppelt, von diesem in das Umlenkelement 22 ausgekoppelt, dort umgelenkt und wieder in das Bauelement 2 eingekoppelt. Anschließend wird das Licht durch das verzweigte Leiterbahnmuster mehrfach aufgezweigt. Schließlich wird das aufgezweigte Licht ausgangsseitig in Ausgangsfasern 27 des Faser-Arrays 20 ausgekoppelt. Das Bauelement 2 ist wie zu den 1A, 1B beschrieben als zweiteiliges Bauelement 2 aus den Trägersubstrat-Hälften 4A, 4B ausgebildet. Das Faser-Array 20 ist vorzugsweise wie zu 2 beschrieben am Bauelement 2 angesteckt. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, das Faser-Array 20 auf anderem Wege, beispielsweise durch Kleben am Bauelement 2 zu befestigen.
Die Ausgestaltung gemäß den 5A, 5B betrifft ein vereinfachtes Herstellungsverfahren einer Mehrzahl von als Splitter ausgebildeten Bauelementen 2, die zusammen insbesondere eine so genannte Splitterkaskade bilden. Beim Herstellen ist hierbei vorgesehen, dass zunächst auf einem gemeinsamen Trägersubstrat 28 (Wafer) die Wellenleitermuster 18 für mehrere Bauelemente 2 gemeinsam erzeugt werden und dass anschließend am gemeinsamen Trägersubstrat 28 ein gemeinsames Eingangs-Faser-Array 32 sowie ein gemeinsames Ausgangs-Faser-Array 34 angebracht werden. Erst anschließend werden die einzelnen optischen Baugruppen, gebildet aus dem jeweiligen optischen Bauelement 2 und den diesem jeweils zugeordneten Eingangs-Faser-Array 32' und Ausgangs-Faser-Array 34', durch Trennen entlang der gestrichelten Schnittlinien in 5A aufgeteilt.
Die Erzeugung der Leiterbahnmuster 18 auf dem gemeinsamen Trägersubstrat 28 erfolgt vorzugsweise analog der Ausbildung der Wellenleiter 6, wie zu den 1A, 1B beschrieben. Und zwar werden hierzu vorzugsweise zwei identisch ausgebildete gemeinsame Trägersubstrat-Hälften erzeugt und wie zu den 1A, 1B beschrieben zusammengefügt. Anschließend werden an dem so aus den zwei identischen Hälften zusammengesetzten gemeinsamen Trägersubstrat 28 die gemeinsamen Faser-Arrays 32, 34 angebracht, bevor die Aufteilung in die einzelnen Baugruppen vorgenommen wird, wie sie in 5B dargestellt sind.
Prinzipiell lassen sich auch die Varianten gemäß der 4 und der 5 miteinander kombinieren, so dass an einer Stirnseite der Bauelemente 2 ein jeweiliges Umlenkelement 22 angeordnet ist und lediglich an einer Stirnseite ein Faser-Array 20 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

2: optisches Bauelement
4: Trägersubstrat
4A, 4B: Trägersubstrat-Hälfte
6: Wellenleiter
6A, 6B: Wellenleiterhälfte
8: Stecköffnung
8A: Nuthälfte
9: Lotglasschicht
10: Stirnseite
12: zweites Steckverbindungselement
13: Aufnahmen
14: Trägerelement
15: Lichtleitfaser
16: Steckstift
17: Laserquelle
18: Wellenleitermuster
20: Faser-Array
22: Umlenkelement
24: Eingangsfaser
26: Ausgangsfaser
28: gemeinsames Trägersubstrat
32: gemeinsames Eingangs-Faser-Array
32': Eingangs-Faser-Array
34: gemeinsames Ausgangs-Faser-Array
34': Ausgangs-Faser-Array
D: Durchmesser

Claims

Optisches Bauelement (2) zur Lichtwellenleitung mit einem in einem Trägersubstrat (4) integrierten Wellenleitermuster (18), insbesondere ein passives Bauelement, bei dem mehrere Wellenleiter (6) zu einem gemeinsamen Wellenleiter (6) zusammengeführt sind, wobei zwei planare Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) mit darin durch einen Ionendiffusionsprozess ausgebildeten Wellenleiterhälften (6A, 6B) miteinander verbunden sind derart, dass die jeweiligen Wellenleiterhälften (6A, 6B) sich zu einem Wellenleiter (6) ergänzen bilden, wobei der Wellenleiter (6) als Multimode-Wellenleiter ausgebildet ist und einen Durchmesser (D) im Bereich von 50 μm bis 1 mm aufweist und wobei zur Ausbildung eines ersten Steckverbinder-Elements in die Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) jeweils Nut-Hälften (8A) eingebracht sind, die im zusammengefügten Zustand erste Stecköffnungen (8) bilden, in die zur Ausbildung einer Steckverbindung ein Positionierstift eingreift.
Bauelement (2) nach Anspruch 1, bei dem die Hälften (4A, 4B) durch thermisches Bonden ohne Verwendung einer Zwischenschicht zusammengefügt sind.
Bauelement nach (2) nach Anspruch 1, bei dem die Hälften (4A, 4B) durch Ansprengen miteinander verbunden sind.
Bauelement (2) nach Anspruch 3, bei dem ergänzend die Hälften (4A, 4B) mechanisch aneinander fixiert sind.
Bauelement (2) nach Anspruch 1, bei dem die Hälften (4A, 4B) mit Hilfe einer Lotglasschicht (9) miteinander verbunden sind.
Bauelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Wellenleiter (6) zu einem gemeinsamen Wellenleiter (6) zusammengeführt sind und das wahlweise als Splitter oder als Combiner insbesondere für einen Faser-Laser ausgebildet ist.
Optisches Steckverbindungssystem mit einem als erstes Steckverbindungselement ausgebildeten Bauelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das in das Trägersubstrat (4) eingebrachte erste Stecköffnungen (8) aufweist, und mit einem zweiten Steckverbindungselement (12), das Aufnahmen (13) für optische Fasern (15) aufweist, die zu jeweils einem korrespondierenden Wellenleiter (6) des Bauelements (2) ausgerichtet sind, und das weiterhin zweite Stecköffnungen oder Positionierstifte (16) aufweist, die zu den ersten Stecköffnungen (8) ausgerichtet sind.
Verwendung des Bauelements (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Combiner in einem Faser-Laser.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zwei identische Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) mit darin integrierten Wellenleiterhälften (6A, 6B) ausgebildet werden, und anschließend die beiden Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) kleberfrei miteinander verbunden werden, wobei das Bauelement (2) mit einem in einem Trägersubstrat (4) integrierten Wellenleitermuster (18), bei dem mehrere Wellenleiter (6) zu einem gemeinsamen Wellenleiter (6) zusammengeführt sind, ausgebildet wird, wobei die zwei planaren Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) mit darin durch einen Ionendiffusionsprozess ausgebildeten Wellenleiterhälften (6A, 6B) miteinander verbunden werden derart, dass die jeweiligen Wellenleiterhälften (6A, 6B) sich zu einem Wellenleiter (6) ergänzen, wobei der Wellenleiter (6) als Multimode-Wellenleiter ausgebildet ist und einen Durchmesser (D) im Bereich von 50 μm bis 1 mm aufweist, und wobei zur Ausbildung eines ersten Steckverbinder-Elements in die Trägersubstrat-Hälften (4A, 4B) jeweils Nut-Hälften (8A) eingebracht werden, die im zusammengefügten Zustand erste Stecköffnungen (8) bilden, in die zur Ausbildung einer Steckverbindung ein Positionierstift eingreift.