DE102016214689A1

DE102016214689A1 - Integriertes optisches System und Verfahren zum Einkoppeln von Strahlung in einem integrierten optischen System

Info

Publication number: DE102016214689A1
Application number: DE102016214689.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers; Jens Ehlermann; Maximilian Amberger; Alexander Huebel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein integriertes optisches System (100), umfassend – ein Einkoppelelement (101), welches mindestens eine Abbildungsvorrichtung (102) umfasst, und – eine Lichtquelle (114), die dazu eingerichtet ist Strahlung zu erzeugen, wobei – das Einkoppelelement (101) mindestens einen Gitterkoppler (4) umfasst, der dazu eingerichtet ist von der Lichtquelle (114) erzeugte Strahlung einzukoppeln und – die Abbildungsvorrichtung (102) zwischen der Lichtquelle (114) und dem Gitterkoppler (4) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
In US6542672 B2 ist eine opto-mechanische Anordnung beschrieben. Die opto-mechanische Anordnung umfasst eine Lichtquelle, ein optisches Element, welches als ein Mikrolinsenwafer ausgebildet ist und einen Wellenleiter. Der Mikrolinsenwafer stellt eine Kopplung zwischen der Lichtquelle und dem Wellenleiter her.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein integriertes optisches System und ein Verfahren zum Einkoppeln von Strahlung in einem integrierten optischen System.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass Anforderungen an eine Positioniergenauigkeit von Komponenten des integrierten optischen Systems zueinander reduziert werden können, wobei jedoch eine Einkoppeleffizienz konstant gehalten oder sogar erhöht werden kann. Somit kann eine erhöhte Robustheit des integrierten optischen Systems realisiert werden. Es wird somit eine kostengünstige Fertigung von großen Stückzahlen ermöglicht, wobei eine hohe Einkoppeleffizienz realisiert werden kann. Die Einkoppeleffizienz beschreibt das Verhältnis der von der Lichtquelle erzeugten Strahlung zu der in das Einkoppelelement eingekoppelten Strahlung.
Dies wird erreicht mit einem integrierten optischen System, umfassend ein Einkoppelelement, welches mindestens eine Abbildungsvorrichtung umfasst, und eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, Strahlung zu erzeugen. Das integrierte optische System zeichnet sich dadurch aus, dass das Einkoppelelement mindestens einen Gitterkoppler umfasst, der dazu eingerichtet ist, von der Lichtquelle erzeugte Strahlung einzukoppeln und dass die Abbildungsvorrichtung zwischen der Lichtquelle und dem Gitterkoppler angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass eine laterale Positionstoleranz der Lichtquelle relativ zum Gitterkoppler erhöht werden kann. Insbesondere kann die laterale Positionstoleranz beispielsweise auf über ±5 Mikrometer (µm) erhöht werden. Bei konstantem Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Gitterkoppler führt eine Abweichung von einer vorgegebenen Position der Lichtquelle relativ zur Position des Gitterkopplers zu Verlusten bei der Einkoppeleffizienz. Die laterale Positionstoleranz beschreibt Abweichungen von der vorgegebenen Position, welche beispielsweise je nach Anwendung eine Strahlungseinkopplung mit weniger als 1 Dezibel Verlust ermöglichen.
In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle mindestens einen Oberflächenemitter umfassen. Ein Vorteil ist, dass Oberflächenemitter (VCSEL = Vertical Surface Emitting Lasers) kostengünstig herstellbar sind, und auf Grund der leichter zugänglichen Emissionsrichtung eine größere Flexibilität in der Aufbau- und Verbindungstechnik ermöglichen.
In einer Ausführungsform umfasst das Einkoppelelement mindestens einen Wellenleiter. Ein Vorteil ist, dass von der Lichtquelle erzeugte Strahlung durch den Gitterkoppler effizient in den mindestens einen Wellenleiter eingekoppelt werden kann. Wellenleiter sind sehr kompakte Strukturen. Insbesondere planare Wellenleiter zeichnen sich durch eine hohe Kompaktheit aus. Mittels des mindestens einen Wellenleiters kann auch über größere Entfernungen die von der Lichtquelle erzeugte Strahlung dämpfungsarm geführt werden. Somit eignet sich das integrierte optische System für eine Vielzahl von Einsatzzwecken.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Gitterkoppler dazu ausgelegt sein, Strahlen mit einem Strahldurchmesser größer als 25 µm aufzunehmen. Die laterale Positionstoleranz der Lichtquelle relativ zum Gitterkoppler hängt unter anderem von dem Strahldurchmesser ab, den der Gitterkoppler aufnehmen kann. Je größer der aufnehmbare Strahldurchmesser, desto größer ist die laterale Positionstoleranz, wenn geebnete Wellen auf den Gitterkoppler treffen. Ein Vorteil ist somit, dass die laterale Positionstoleranz erhöht werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Abbildungsvorrichtung ein erstes Substrat, welches eine dem Gitterkoppler zugewandte erste Seite und eine vom Gitterkoppler abgewandte zweite Seite aufweist und welches auf der ersten Seite oder der zweiten Seite mindestens ein Abbildungselement aufweist. Ein Vorteil ist, dass ein einseitiges Anordnen der Abbildungselemente eine Herstellung der Abbildungsvorrichtung vereinfacht. Alternativ oder ergänzend weist das erste Substrat auf der ersten Seite und der zweiten Seite mindestens ein Abbildungselement auf. Ein Vorteil ist, dass die Abbildungsvorrichtung separat vom Gitterkoppler gefertigt werden kann und sich mehr Möglichkeiten ergeben, Abbildungseigenschaften der Abbildungsvorrichtung zu realisieren, insbesondere das Vermögen der Abbildungsvorrichtung Wellenfronten zu ebnen, da im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Gitterkoppler mindestens zwei Abbildungselemente platzsparend angeordnet sind. Das Ebnen von Wellenfronten beschreibt eine Umformung von elektromagnetischen Kugelwellen in idealerweise ebene Wellenfronten. Eine ebene Wellenfront zeichnet sich dadurch aus, dass zugehörige Lichtstrahlen parallel verlaufen. Im Rahmen der Erfindung beschreibt das Ebnen von Wellenfronten eine Umformung von elektromagnetischen Kugelwellen in geebnete Wellenfronten, das heißt möglichst ebene Wellenfronten. Geebnete Wellenfronten zeichnen sich dadurch aus, dass die zugehörigen Lichtstrahlen zumindest annähernd parallel verlaufen, das heißt die geebneten Wellenfronten weisen eine Abweichung eines radialen Verlaufs der Lichtstrahlen einer Kugelwelle hin zu einem parallelen Verlauf auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird das mindestens eine Abbildungselement als eine einseitige refraktive Linse, eine doppelseitige refraktive Linse, eine Gradientenindexlinse (GRIN-Linse), eine Fresnel-Linse, eine Fresnel’sche Zonenplatte und/oder ein photonisches Sieb ausgebildet. Ein Vorteil von GRIN-Linsen, Fresnel-Linsen, Fresnel’schen Zonenplatten und photonischen Sieben ist, dass Gewicht und Volumen insbesondere bei Linsen mit geringer Brennweite stark reduziert werden können. Insbesondere kann die Höhe der vorgenannten Abbildungselemente gering sein. Somit wird eine Miniaturisierung des integrierten optischen Systems ermöglicht, und es können kleinere Brennweiten als mit refraktiven Linsen realisiert werden. GRIN-Linsen, Fresnel-Linsen, Fresnel’sche Zonenplatten und photonische Siebe können flache Oberflächen besitzen, was eine Montage und eine Verbindung mit weiteren, insbesondere optischen Bauelementen erleichtert.
In einer Gestaltungsform kann mindestens eine Seite des ersten Substrats zumindest teilweise mit einer Antireflexschicht beschichtet werden. Ein Vorteil ist, dass Reflexionen einer von der Lichtquelle emittierten Strahlung an der Abbildungsvorrichtung reduziert bzw. verhindert werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Rückkopplung von an der Abbildungsvorrichtung reflektierter Strahlung in die Lichtquelle vermieden werden und somit die Zuverlässigkeit, die Robustheit und die Lebensdauer der Lichtquelle erhöht werden. Zudem kann ein Leistungsverbrauch der Lichtquelle reduziert werden.
In einer Ausführungsform kann das mindestens eine Abbildungselement auf einer Seite des ersten Substrats angeordnet werden und der mindestens eine Gitterkoppler auf einer der Seite abgewandten Seite des ersten Substrats angeordnet werden. Ein Vorteil ist, dass ein sehr kompakter Aufbau realisiert werden kann, da auf nur einem Substrat sowohl der Gitterkoppler als auch das mindestens eine Abbildungselement angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Gitterkoppler auf einem dritten Substrat angeordnet werden, wobei das erste Substrat und das dritte Substrat miteinander verbunden sind. Alternativ oder ergänzend können das erste Substrat und das dritte Substrat über eine zweite Trägerstruktur miteinander verbunden werden. Ein Vorteil ist, dass eine große Freiheit bei der Gestaltung der Abbildungselemente ermöglicht wird. Es können sowohl einseitig als auch beidseitig Abbildungselemente angeordnet werden. Zudem kann das integrierte optische System auf einfach Weise durch weitere erste Substrate ergänzt werden, die jeweils mindestens ein Abbildungselement umfassen. Damit lassen sich Abbildungseigenschaften, wie beispielsweise die Eigenschaft elektromagnetische Kugelwellen zu ebnen, auf einfache Weise mit Standard-Abbildungselementen einstellen.
In einer Ausführungsform kann eine dem ersten Substrat zugewandte dritte Seite des dritten Substrats mit einer Antireflexschicht beschichtet werden. Ein Vorteil ist, dass Reflexionen einer von der Lichtquelle emittierten Strahlung am dritten Substrat reduziert bzw. verhindert werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Rückkopplung von am dritten Substrat reflektierter Strahlung in die Lichtquelle vermieden werden und somit die Zuverlässigkeit, die Robustheit und die Lebensdauer der Lichtquelle erhöht werden und der Leistungsverbrauch der Lichtquelle reduziert werden.
In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle dezentriert bezüglich einer optischen Achse des Abbildungselements angeordnet sein. Ein Vorteil ist, dass durch die dezentrierte Anordnung der Lichtquelle ein Anteil gestreuter und/oder reflektierter Strahlung eingestellt werden kann, der durch Streuung und/oder Reflexion in Richtung Lichtquelle gelenkt wird. Ein Anteil dieser Strahlung, die auf die Lichtquelle auftrifft kann somit reduziert oder vermieden werden. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Rückkopplung dieser reflektierten/gestreuten Strahlung in die Lichtquelle reduziert oder vermieden werden und somit die Zuverlässigkeit, die Robustheit und die Lebensdauer der Lichtquelle erhöht werden. Zudem kann ein Leistungsverbrauch der Lichtquelle reduziert werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Lichtquelle auf einem zweiten Substrat angeordnet sein, welches auf einer vom Gitterkoppler abgewandten Seite der Abbildungsvorrichtung angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass Wärme, die von der Lichtquelle erzeugt wird, effizient über das zweite Substrat abtransportiert werden kann. Insbesondere kann das zweite Substrat derart optimiert sein, dass es Wärme möglichst zuverlässig und schnell abtransportiert, indem beispielsweise ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit für das zweite Substrat gewählt wird. Somit kann vermieden werden, dass sich das Einkoppelelement, erwärmt, wodurch sich Eigenschaften des Einkoppelelements ändern könnten, was zu Problemen beim Einkoppeln der Strahlung führen kann. Somit werden die Robustheit und die Zuverlässigkeit des integrierten optischen Systems erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Einkoppelelement mit dem mindestens einen Wellenleiter separat von der Lichtquelle und dem zweiten Substrat mittels voneinander unabhängiger und gegebenenfalls auch inkompatibler Technologien erfolgen kann. So kann beispielsweise die Lichtquelle auf dem zweiten Substrat basierend auf III-V Verbindungshalbleitern realisiert werden und das Einkoppelelement und der mindestens eine Wellenleiter mittels Silicon-on-Insulator Technologien hergestellt werden. Bevor sie miteinander verbunden werden können sie separat voneinander auf Mängel und/oder Fehler untersucht werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des integrierten optischen Systems erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, dass kostengünstige Prozesse aus der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Herstellung des integrierten optischen Systems verwendet werden können. Hierzu zählt beispielsweise die Flip-Chip Montage der Lichtquelle auf das zweite Substrat, wodurch eine einfache Kontaktierung der Lichtquelle möglich ist. Insbesondere kann die Lichtquelle auf einer dem Gitterkoppler zugewandten Seite des zweiten Substrats angeordnet werden.
Ein Verfahren zum Einkoppeln von Strahlung in einem integrierten optischen System gemäß mindestens einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst eine Bestrahlung der Abbildungsvorrichtung, ein Ebnen einer Wellenfront der Strahlung durch die Abbildungsvorrichtung und ein Einkoppeln der geebneten Wellenfront der Strahlung in den Gitterkoppler. Ein Vorteil ist, dass somit eine verbesserte Einkoppeleffizienz ermöglicht wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Vorteilen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des integrierten optischen Systems. Insbesondere kann der Gitterkoppler mit mindestens einem Wellenleiter verbunden sein, sodass die Strahlung, die in den Gitterkoppler einkoppelt, in den Wellenleiter einkoppelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen
1 einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems in einer explodierten Ansicht,
2 eine Aufsicht auf ein integriertes optisches System, welches einen Wellenleiter umfasst,
3a einen Querschnitt einer einseitigen refraktiven Linse,
3b einen Querschnitt einer doppelseitigen refraktiven Linse,
4 eine Aufsicht auf eine refraktive Linse,
5 einen Querschnitt einer Gradientenindexlinse (GRIN-Linse),
6 eine Aufsicht auf eine GRIN-Linse,
7 einen Querschnitt einer Fresnel-Linse,
8 einen Querschnitt einer Fresnel’schen Zonenplatte,
9 eine Aufsicht auf eine Fresnel-Linse bzw. eine Fresnel’sche Zonenplatte,
10 eine Skizze eines Strahlengangs eines integrierten optischen Systems mit einem Abbildungselement,
11 einen Strahlenverlauf eines integrierten optischen Systems mit zentrierter Lichtquelle,
12 einen Strahlenverlauf eines integrierten optischen Systems mit leicht dezentrierter Lichtquelle,
13 eine Aufsicht auf einen fokussierenden Gitterkoppler,
14 eine Aufsicht auf einen nichtfokussierenden Gitterkoppler,
15 einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems mit Trägerstrukturen,
16 einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems mit Antireflexschichten,
17–20 Querschnitte integrierter optischer Systems mit verschiedenen Ausführungen der Substrate und Trägerstrukturen,
21 einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems mit in einer Aussparung angeordnetem Gitterkoppler,
22–24 Querschnitte integrierter optischer Systeme mit verschiedenen Ausführungen der Substrate und Trägerstrukturen, wobei Abbildungselemente und Gitterkoppler auf einander abgewandten Seiten eines Substrats angeordnet sind,
25 eine Aufsicht auf ein Substrat, auf welchem Lichtquellen angeordnet sind,
26 eine Aufsicht auf ein Substrat, auf welchem Abbildungselemente angeordnet sind,
27 eine Aufsicht auf ein Substrat, auf welchem Gitterkoppler angeordnet sind,
28 eine Aufsicht auf eine Trägerstruktur mit Aussparungen und
29 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einkoppeln von Strahlung in einem integrierten optischen System.
In 1 ist ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines integrierten optischen Systems 100 in einer explodierten Ansicht dargestellt. Das integrierte optische System 100 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle 114, die auf einer einem Einkoppelelement 101 zugewandten Seite eines zweiten Substrats 2 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 114 als Oberflächenemitter 6 ausgeführt. Der Oberflächenemitter 6 kann beispielsweise basierend auf III-V Verbindungshalbleitern realisiert werden. Der Oberflächenemitter 6 kann eine erste Spiegelschicht und eine zweite Spiegelschicht umfassen, welche voneinander beabstandet und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Spiegelschichten können beispielsweise als Bragg-Spiegel ausgebildet sein. Die Spiegelschichten können als ebene Flächen ausgebildet sein, die jeweils parallel zur x-y-Ebene und voneinander beabstandet angeordnet sind. Zwischen den Spiegelschichten kann eine aktive Zone für die Erzeugung von Strahlung ausgebildet sein. Bei Verwendung eines optisch gepumpten Oberflächenemitters 6 kann die aktive Zone 20 von außen mit kurzwelliger Strahlung bestrahlt werden, um zur Strahlung angeregt zu werden. Der Oberflächenemitter 6 kann auch elektrisch gepumpt werden, beispielsweise indem er als eine pin-Diode realisiert wird. Eine elektrische Kontaktierung des Oberflächenemitters 6 erfolgt beispielsweise über ein zweites Substrat 2 mittels Ball-Bonden. Andere Oberflächenemitter 6 aus dem Stand der Technik können ebenfalls verwendet werden. Vom Oberflächenemitter 6 erzeugte Strahlung wird zumindest teilweise parallel zu einer Hauptabstrahlrichtung 113 emittiert. Die Hauptabstrahlrichtung 113 des Oberflächenemitters 6 zeigt in 1 entlang einer Geraden parallel zur z-Achse. Die Hauptabstrahlrichtung 113 ist in 1 durch einen schwarzen Pfeil skizziert. Alternativ oder ergänzend können beispielsweise Laserdioden, LEDs oder weitere Lichtquellen, welche Strahlung zumindest teilweise parallel zur Hauptabstrahlrichtung 113 emittieren, verwendet werden. Auf einer Seite des zweiten Substrats 2, auf welcher der Oberflächenemitter 6 angeordnet ist, ist das Einkoppelelement 101 angeordnet, welche in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Abbildungsvorrichtung 102 und ein drittes Substrat 3 mit einem Gitterkoppler 4 umfasst. Die Abbildungsvorrichtung 102 umfasst in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Substrat 1 mit einer ersten Aussparung 8‘ und ein Abbildungselement 7. In 1 ist auf einer ersten Seite 102‘ des ersten Substrats 1 das Abbildungselement 7 ausgebildet. Das Abbildungselement 7 weist eine optische Achse 107 auf, welche in 1 durch eine unterbrochene Linie skizziert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Abbildungselement 7 als einseitige refraktive Linse 70 ausgeführt. Alternativ oder ergänzend kann das Abbildungselement 7 die in den 3a, 3b, 4, 5, 6, 7, 8, 9 dargestellten Abbildungselemente umfassen. Auf einer von der ersten Seite 102‘ abgewandten zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 ist die erste Aussparung 8‘ im ersten Substrat 1 ausgebildet. Die erste Aussparung 8‘ ist zumindest teilweise unterhalb des Abbildungselements 7 ausgebildet. „Unterhalb“ bedeutet hierbei, dass mindestens ein Punkt des Abbildungselements 7, entlang einer Parallelen zur z-Richtung in Richtung der zweiten Seite 102‘‘ verschoben, mindestens einen Punkt innerhalb der Aussparung 8‘ trifft. In 1 ist die erste Aussparung 8‘ symmetrisch unter dem ersten Abbildungselement 7 angeordnet. Die zweite Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 kann beispielsweise mittels Wafer-Bonden mit dem zweiten Substrat 2 verbunden werden, wobei der Oberflächenemitter 6 in der ersten Aussparung 8‘ Platz findet. Ist das Abbildungselement 7 zusätzlich oder ergänzend auf der zweiten Seite 102‘‘ ausgebildet, so findet auch dieses Platz in der ersten Aussparung 8‘‘. Das dritte Substrat 3 weist auf einer der Abbildungsvorrichtung 102 zugewandten dritten Seite 3‘ eine zweite Aussparung 8‘‘ auf. Auf einer von der Abbildungsvorrichtung 102 abgewandten Seite ist ein Gitterkoppler 4 angeordnet. In einem weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Gitterkoppler 4 vollständig von dem dritten Substrat 3 umschlossen. Die erste Seite 102‘ des ersten Substrats 1 kann beispielsweise mittels Wafer-Bonden mit der dritten Seite 3‘ des dritten Substrats 3 verbunden werden, wobei das Abbildungselement 7 in 1 in der zweiten Aussparung 8‘‘ Platz findet.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle 114 auf der zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 angeordnet werden. Weist das erste Substrat 1 die erste Aussparung 8‘ auf, so kann die Lichtquelle 114 in der ersten Aussparung 8‘ angeordnet werden. Wenn keine erste Aussparung 8‘ auf der zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 ausgebildet ist, so wird die Lichtquelle 114 auf der zweiten Seite 102‘‘ derart angeordnet, dass die Lichtquelle 114 zumindest teilweise unterhalb des Abbildungselements 7 angeordnet ist.
2 zeigt eine Aufsicht auf ein integriertes optisches System 100. In einer Ebene parallel zur x-y-Ebene ist der Gitterkoppler 4 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Gitterkoppler 4 als nicht-fokussierender Gitterkoppler ausgebildet. Ein Wellenleiter 5, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als planarer Wellenleiter ausgeführt ist, ist mit dem Gitterkoppler 4 an einem ersten Ende des Wellenleiters 5 verbunden. Eine Anschlussstelle 112 bildet ein dem ersten Ende gegenüberliegendes Ende des Wellenleiters 5. An der Anschlussstelle 112 kann beispielsweise ein optischer Schaltkreis ausgebildet sein. Der optische Schaltkreis kann Elemente wie beispielsweise Wellenleiter, Strahlteiler, Filter, Schalter, Phasenmodulatoren oder Intensitätsmodulatoren umfassen. Das integrierte optische System 100 erzeugt Strahlung, die der Gitterkoppler 4 einkoppelt. Der Wellenleiter 5 kann die vom Gitterkoppler 4 eingekoppelte Strahlung der Lichtquelle 114 dämpfungsarm in den optischen Schaltkreis führen.
3a, 3b, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 zeigen Ausführungsbeispiele der Abbildungsvorrichtung 102. Die nachfolgend beschriebenen Abbildungselemente 7 können beispielsweise als eigene Komponente auf dem ersten Substrat 1 realisiert werden oder über eine Rückseitenstrukturierung des ersten Substrats 1 ausgebildet werden, wenn der Gitterkoppler 4 auf dem ersten Substrat 1 angeordnet wird, wie dies beispielsweise in 22 bis 24 zu sehen ist. Eine Herstellung der Abbildungselemente 7 kann beispielsweise mittels Lithographie oder Abformverfahren (z. B. Nanoimprint) erfolgen, da diese eine hohe Positionsgenauigkeit der Abbildungselemente 7 ermöglichen. 3a zeigt einen Querschnitt des ersten Substrats 1 mit einer einseitigen refraktiven Linse 70, die als Abbildungselement 7 dient. Die einseitige refraktive Linse 70 kann auf der ersten Seite 102‘ oder der zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 ausgebildet sein. 3b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl auf der ersten Seite 102‘ eine erste einseitige refraktive Linse 70 ausgebildet ist als auch unterhalb der ersten refraktiven Linse 70 auf der zweiten Seite 102‘‘ eine zweite einseitige refraktive Linse 70 ausgebildet ist. 3b zeigt somit eine doppelseitige refraktive Linse, die zwei einseitige refraktive Linsen 70 umfasst. Die doppelseitige refraktive Linse 71 ist ein Ausführungsbeispiel des Abbildungselements 7. 4 zeigt eine Aufsicht auf die Abbildungsvorrichtung 102 aus 3a bzw. 3b. Die einseitige refraktive Linse 70 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine kreisförmige Grundfläche in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene auf. 5 zeigt einen Querschnitt und 6 zeigt eine Aufsicht der Abbildungsvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Abbildungselement 7 als Gradientenindexlinse 72 (GRIN-Linse) ausgebildet ist.
In 5 ist die Dichte einer Punktewolke an einem Ort der GRIN-Linse 72 ein Maß für einen Brechungsindex an diesem Ort. Die GRIN-Linse 72 ist als ein zylinderförmiges Bauteil ausgebildet, wobei der Brechungsindex in radialer Richtung abnimmt. Beispielsweise kann der Brechungsindex mit dem Abstand zur Mitte in radialer Richtung quadratisch abnehmen. Eine dichte Punktewolke bezeichnet in 5 und 6 einen Ort mit großem Brechungsindex, der Brechungsindex ist also in der Mitte der GRIN-Linse 72 am größten. Je geringer die Dichte der Punktewolke desto kleiner der Brechungsindex. Gemäß dem Fermatschen Prinzip durchlaufen somit Strahlen im äußeren Bereich der GRIN-Linse 72 eine geringere optische Weglänge als im Bereich der Mitte der GRIN-Linse. Die Wirkung der GRIN-Linse 72 ähnelt somit der einer Sammellinse. Im Gegensatz zur refraktiven Linse 70, 71, weist die GRIN-Linse 72 keine gewölbten, sondern parallel zur x-y-Ebene plane Oberflächen auf. 7 zeigt einen Querschnitt einer Fresnel-Linse 73, welche als Abbildungselement 7 des integrierten optischen Systems verwendet werden kann. Deren Aufsicht ist in 9 dargestellt. Die Fresnel-Linse 73 weist eine ringförmige Struktur auf, die in 9 durch die eingezeichneten Ringe angedeutet ist. Wie in 7 dargestellt, verringert sich die Dicke jedes Rings hin zum nächst kleineren Ring. Der innere Ring entspricht der Form nach einer refraktiven Linse, welche eine gewölbte Oberfläche aufweist. Die Fresnel-Linse 73 kann auf mindestens einer Seite 102‘, 102‘‘ des ersten Substrats 1 ausgebildet sein. 8 zeigt einen Querschnitt einer Fresnel’sche Zonenplatte 74, welche als Abbildungselement 7 des integrierten optischen Systems 100 verwendet werden kann. Eine Aufsicht auf die Fresnel’sche Zonenplatte 74 ist in 9 dargestellt. Die Fresnel’sche Zonenplatte umfasst eine Platte, auf der konzentrische Ringe angeordnet sein können. Die Platte wird für die Verwendung im integrierten optischen System 100 durch das erste Substrat 1 gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei konzentrische Ringe und eine runde Scheibe in der Mitte auf einer Seite 102‘, 102‘‘ des ersten Substrats 1 angeordnet. Sie sind aus einem für die von der Lichtquelle 114 emittierte Strahlung transparenten Material ausgebildet. Die Breite der Ringe nimmt von der Mitte nach außen ab. Strahlung, welche von den konzentrischen Ringen und der Scheibe transmittiert wird, erfährt eine Phasenverschiebung gegenüber der Strahlung, die durch die Bereiche zwischen den konzentrischen Ringen fällt. Dadurch wird die transmittierte Strahlung in einem Brennpunkt der Fresnel’schen Zonenplatte durch konstruktive Interferenz verstärkt. Weitere Typen von Abbildungselementen 7 aus dem Stand der Technik können ebenfalls verwendet werden.
10 zeigt eine Skizze eines Strahlenverlaufs von der Lichtquelle 114, welche in einer ersten Ebene 103 parallel zur x-y-Ebene angeordnet ist, durch die Abbildungsvorrichtung 102 hin zum Gitterkoppler 4. Die Abbildungsvorrichtung 102 umfasst mindestens ein Abbildungselement 7. Das Abbildungselement 7 kann eine optische Abbildung realisieren und von der Lichtquelle 114 erzeugte Strahlung transformieren. In 10 sind charakteristische Größen wie die optische Achse 107 des Abbildungselements 7, eine Gegenstandsweite 109 und eine Bildweite 110 eingetragen. Eine erste laterale Positionstoleranz 1000 der Lichtquelle 114 wird durch einen Doppelpfeil symbolisiert, der parallel zur y-Achse zeigt. Die erste laterale Positionstoleranz 1000 bezeichnet eine Abweichung einer Position der Lichtquelle 114 in der ersten Ebene 103 von einer vorgegebenen Position bezüglich der optischen Achse 107 des Abbildungselements. Ist beispielsweise eine zentrierte Anordnung der Lichtquelle 114 vorgesehen, so entspricht die vorgegebene Position der Lichtquelle 114 einer Position, bei der die optische Achse 107 eine Spiegelachse der Lichtquelle 114 bildet, wie dies in 10 skizziert ist. Eine laterale Abweichung von dieser vorgegebenen Position in der ersten Ebene 103 führt zu Strahlungsverlusten beim Einkoppeln. Die erste laterale Positionstoleranz 1000 gibt an, wie groß die Abweichungen von der vorgegebenen Position in der ersten Ebene 103 bei fester Verschiebung parallel zur z-Achse sein darf, um die Verluste beispielsweise kleiner als ein Dezibel bzw. einen vorgegebenen Verlustwert zu halten, wobei der Verlustwert abhängig von einer Anwendung sein kann. Wird in 10 die Gegenstandsweite 109 größer als die Bildweite 110 gewählt, so wird eine Intensitätsverteilung der Lichtquelle 114 in der ersten Ebene 103 gemäß einem Verhältnis der Bildweite 110 zur Gegenstandsweite 109 verkleinert auf eine zweite Ebene 105 abgebildet. Dies ist in 10 durch einen Stern angedeutet, welcher ein Bild 106 der Lichtquelle 114 darstellt. Der Stern des Bildes 106 ist wie vorstehend beschrieben gegenüber dem Stern an der Lichtquelle 114 verkleinert dargestellt. Ein erster Winkel 108‘ des Strahls bezüglich der optischen Achse 107 wird nach Durchgang durch die Abbildungsvorrichtung 102 gemäß einem Verhältnis der Gegenstandsweite 109 zur Bildweite 110 vergrößert, wie dies in 10 dargestellt ist. Des Weiteren weist auch das Abbildungselement 7 eine zweite laterale Positionstoleranz 1002 auf. Die zweite laterale Positionstoleranz 1002 des Abbildungselements 7 wird durch einen Doppelpfeil symbolisiert, der parallel zur y-Achse zeigt. Analog zur ersten lateralen Positionstoleranz 1000 bezeichnet die zweite laterale Positionstoleranz 1002 eine Abweichung einer Position des Abbildungselements 7 in der ersten Ebene 103 von einer vorgegebenen Position des Abbildungselements 7 bezüglich der Lichtquelle 114. Eine laterale Abweichung von dieser vorgegebenen Position des Abbildungselements 7 führt zu Strahlungsverlusten beim Einkoppeln. Die zweite laterale Positionstoleranz 1002 gibt an, wie groß die Abweichungen der Position des Abbildungselements 7 von der vorgegebenen Position des Abbildungselements 7 bei konstanter Verschiebung parallel zur z-Achse sein darf, um die Verluste beispielsweise kleiner als ein Dezibel bzw. einen vorgegebenen Verlustwert zu halten, wobei der Verlustwert abhängig von einer Anwendung sein kann. In 10 sind die Gegenstandsweite 109 und die Bildweite 110 jeweils in der Größenordnung von 500 µm gewählt. Zunächst wird ein erster Fall betrachtet, bei dem der Gitterkoppler 4 in der zweiten Ebene 105 angeordnet ist. Der Gitterkoppler 4 reagiert empfindlich auf eine Verschiebung des Bildes 106. Eine Verschiebung des Bildes 106 um ±2 µm ergibt als Verlustwert 1 Dezibel. Der Gitterkoppler 4 ist hierbei unempfindlich gegenüber Variationen von Einfallswinkeln der Strahlung, welche auf den Gitterkoppler 4 trifft. Wird nun das Verhältnis der Gegenstandsweite 109 zur Bildweite 110 größer als fünf gewählt, so ergibt sich für die erste laterale Positionstoleranz 1000 der Lichtquelle 114 ein Wert von ±5 µm. Diese erste laterale Positionstoleranz kann mit handelsüblichen Bestückungsmaschinen realisiert werden und führt zu einer Bildverschiebung 1001 von maximal ±1 µm, wie sie für eine hohe Einkoppeleffizienz bei weniger als einem Dezibel Verlust ausreicht. Die Bildverschiebung 105 ist in 10 als Doppelpfeil skizziert. Die Bildverschiebung 1001 von maximal ±1 µm kann erzielt werden, wenn die zweite laterale Positionstoleranz 1002 gegenüber dem Gitterkoppler 4 ebenfalls einen Wert von ±1 µm aufweist. Die Vergrößerung der ersten lateralen Positionstoleranz 1000 führt zu einer kleineren zweiten lateralen Positionstoleranz 1002, wenn der Verlustwert kleiner als 1 Dezibel sein soll. Dies ist vorteilhaft, da die Abbildungsvorrichtung 102 wie auch der Gitterkoppler 4 als Wafer-Technologie realisierbar sind, sodass nur ein Justageschritt erfolgen muss, um einen Wafer, beispielsweise das erste Substrat 1, mit mindestens einem Abbildungselement 7 auf einem Wafer, beispielsweise das dritte Substrat 3, mit mindestens einem Gitterkoppler 4 zu justieren. Dahingegen wird das zweite Substrat 2 vorzugsweise einzeln mit Lichtquellen 114, wie beispielsweise Laserdioden oder LEDs bestückt, sodass mehrere Justageschritte erfolgen müssten, um eine höhere Positioniergenauigkeit der Lichtquellen 114 zu ermöglichen. Durch die Vergrößerung der ersten lateralen Positionstoleranz 1000 und der Verkleinerung der zweiten lateralen Positionstoleranz 1002 kann somit ein Herstellungsverfahren vereinfacht werden und eine kostengünstigere Herstellung des integrierten optischen Systems 100 ermöglicht werden. Eine weitere Verbesserung des integrierten optischen Systems 100 kann damit erzielt werden, dass der Gitterkoppler 4 in einem zweiten Fall in einer zur zweiten Ebene 105 parallelen dritten Ebene 104 angeordnet wird, welche zwischen der zweiten Ebene 105 und der Abbildungsvorrichtung 102 angeordnet ist, sodass am Gitterkoppler 4 kein scharfes Bild der Lichtquelle 114 entsteht. Die Strahlen verlaufen in z-Richtung. Ein Strahldurchmesser in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene beschreibt den Durchmesser der kleinstmöglichen elliptischen Fläche, welche in dieser Ebene liegt, und durch welche 90% der Strahlleistung hindurchtritt. Dadurch, dass der Gitterkoppler 4 im zweiten Fall näher an der Abbildungsvorrichtung 102 angeordnet ist als im ersten Fall, ist der Strahldurchmesser an der dritten Ebene 104 größer als der Strahldurchmesser an der zweiten Ebene 105. Somit ist der Strahldurchmesser, der auf den Gitterkoppler 4 trifft im zweiten Fall größer als im ersten Fall. Wird nun ein Gitterkoppler 4, mit einer großen Ausdehnung in der dritten Ebene 104 verwendet, wie er beispielsweise nachfolgend beschrieben ist, so kann die erste laterale Positionstoleranz 1000 der Lichtquelle 114 weiter erhöht werden. Zudem kann die Bauhöhe des integrierten optischen Systems 100 in z-Richtung verkleinert werden und somit eine Miniaturisierung des integrierten optischen Systems 100 vorgenommen werden. Zudem wird keine Kenntnis der genauen Intensitätsverteilung der Lichtquelle 114 in der ersten Ebene 103 benötigt, eine Kenntnis einer Winkelabstrahlcharakteristik, die in der Regel spezifiziert wird, reicht aus. Die Winkelabstrahlcharakteristik weist für kleine Lichtquellen 114 aus wellenoptischen Gründen meist keine komplizierten Strukturen auf. In einem weiteren Ausführungsbeispiel bildet die Abbildungsvorrichtung 102 die Lichtquelle 114 ins Unendliche ab. Die Abbildungsvorrichtung 102 ebnet hierbei eine Wellenfront der von der Lichtquelle 114 erzeugten Strahlung. Die Lichtquelle 114 emittiert beispielsweise elektromagnetischen Kugelwellen. Das Ebnen 11 von Wellenfronten beschreibt eine Umformung von elektromagnetischen Kugelwellen in idealerweise ebene Wellenfronten. Eine ebene Wellenfront zeichnet sich dadurch aus, dass Lichtstrahlen, die die Wellenfront bilden, parallel verlaufen. Im Rahmen der Erfindung beschreibt das Ebnen 11 von Wellenfronten eine Umformung von elektromagnetischen Kugelwellen in geebnete Wellenfronten, das heißt möglichst ebene Wellenfronten. Geebnete Wellenfronten zeichnen sich dadurch aus, dass die zugehörigen Lichtstrahlen zumindest annähernd parallel verlaufen, das heißt, dass die geebneten Wellenfronten eine Abweichung eines radialen Verlaufs der Lichtstrahlen einer Kugelwelle hin zu einem parallelen Verlauf der Lichtstrahlen aufweisen. Eine geebnete Wellenfront ermöglicht eine weitere Vergrößerung der ersten lateralen Positionstoleranz 1000.
In 11 zeigt eine Skizze eines Strahlenverlaufs eines integrierten optischen Systems 100 mit zentrierter Lichtquelle 114. Die Strahlen verlaufen in positive z-Richtung. Die Lichtquelle 114, die zweite Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1, das Abbildungselement 7, die dritte Seite 3‘ des dritten Substrats 3 und der Gitterkoppler 4 sind als gestrichelte Linien in den Strahlengang eingezeichnet. Das Abbildungselement 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel als einseitige refraktive Mikro-Linse 70 ausgeführt. Alternativ oder ergänzend können wie vorstehend beschrieben auch andere Abbildungselemente 7 im Strahlengang zwischen Lichtquelle 114 und Gitterkoppler 4 angeordnet werden. In diesem Ausführungsbeispiel emittiert die Lichtquelle 114 Infrarotlicht mit einer Vakuumwellenlänge von 1550 nm. Das erste Substrat 1, das Abbildungselement 7 und des dritten Substrats 3 sind aus Silizium ausgebildet, ihr Brechungsindex beträgt 3,475. Zwischen der Lichtquelle 114 und der zweiten Seite 102‘‘ sowie zwischen dem Abbildungselement 7 und der dritten Seite 3‘ herrscht Vakuum, hier beträgt der Brechungsindex 1,000. Der Abstand zwischen einer dem Einkoppelelement 101 zugewandten Oberseite der Lichtquelle 114 und der zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 340 µm, der Abstand der ersten Seite 102‘ zur zweiten Seiten 102‘‘ beträgt in z-Richtung 500 µm. Der Abstand der der ersten Seite 102‘ zur dritten Seite 3‘ beträgt 380 µm und der Abstand von der dritten Seite 3‘ bis zum Gitterkoppler 4 beträgt 625 µm. Die Abstände sind in 11 als Doppelpfeile eingezeichnet und bemaßt. Des Weiteren ist in 11 die optische Achse 107 des Abbildungselements 7 eingezeichnet. Die Lichtquelle 114 ist zentriert angeordnet, d. h. sie emittiert Strahlung symmetrisch zur optischen Achse 107. Beim Eintritt in das erste Substrat 1 durch die zweite Seite 102‘‘ werden die Strahlen aufgrund einer Änderung des Brechungsindex gebrochen, wie dies in 11 skizziert ist. Das Abbildungselement 7 ebnet die Wellenfront. Beim Eintritt in das dritte Substrat 3 wird die Strahlung aufgrund einer Änderung des Brechungsindex erneut gebrochen und trifft somit als geebnete Wellenfront auf den Gitterkoppler 4, wobei der Strahldurchmesser am Ort des Gitterkopplers 4 einen endlichen Wert aufweist. Der Strahldurchmesser ist hierbei durch die Abmessung in x-Richtung einer Schnittfläche der Ebene parallel zur x-y-Ebene, in der der Gitterkoppler 4 angeordnet ist, mit dem Strahlenbündel, welches in 11 mehrere Strahlen, die von der Lichtquelle 114 kommen umfasst. Vorzugsweise beträgt der Strahldurchmesser mehr als 25 µm. In 11 beträgt der Strahldurchmesser beispielsweise etwa 125 µm.
12 zeigt eine Skizze eines Strahlenverlaufs eines integrierten optischen Systems 100 mit dezentrierter Lichtquelle 114. Dadurch kann Streulicht eine Vorzugsrichtung erhalten, sodass möglichst wenig Strahlung in die Lichtquelle 114 zurückgestreut wird. Die Strahlen verlaufen in positive z-Richtung. Die Lichtquelle 114, die zweite Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1, das Abbildungselement 7, die dritte Seite 3‘ des dritten Substrats 3 und der Gitterkoppler 4 sind als gestrichelte Linien in den Strahlengang eingezeichnet. Das Abbildungselement 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel als einseitige refraktive Mikro-Linse 70 ausgeführt. Alternativ oder ergänzend können wie vorstehend beschrieben auch andere Abbildungselemente 7 im Strahlengang zwischen Lichtquelle 114 und Gitterkoppler 4 angeordnet werden. In diesem Ausführungsbeispiel emittiert die Lichtquelle 114 Infrarotlicht mit einer Vakuumwellenlänge von 1550 nm. Das erste Substrat 1, das Abbildungselement 7 und des dritten Substrats 3 sind aus Silizium ausgebildet, ihr Brechungsindex beträgt 3,475. Zwischen der Lichtquelle 114 und der zweiten Seite 102‘‘ sowie zwischen dem Abbildungselement 7 und der dritten Seite 3‘ herrscht Vakuum, hier beträgt der Brechungsindex 1,000. Der Abstand zwischen einer dem Einkoppelelement 101 zugewandten Oberseite der Lichtquelle 114 und der zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 340 µm, der Abstand der ersten Seite 102‘ zur zweiten Seiten 102‘‘ beträgt in z-Richtung 500 µm. Der Abstand der der ersten Seite 102‘ zur dritten Seite 3‘ beträgt 380 µm und der Abstand von der dritten Seite 3‘ bis zum Gitterkoppler 4 beträgt 625 µm. Die Abstände sind in 11 als Doppelpfeile eingezeichnet und bemaßt. Des Weiteren ist in 12 die optische Achse 107 des Abbildungselements 7 als unterbrochene Linie eingezeichnet. Die Lichtquelle 114 ist dezentriert angeordnet, d. h. sie emittiert Strahlung asymmetrisch zur optischen Achse 107. Asymmetrisch bedeutet hierbei, dass das Strahlenbündel, welches von der Lichtquelle 114 emittiert wird, nicht spiegelsymmetrisch zur optischen Achse 107 ist. Beim Eintritt in das erste Substrat 1 durch die zweite Seite 102‘‘ werden die Strahlen aufgrund einer Änderung des Brechungsindex gebrochen, wie dies in 12 skizziert ist. Das Abbildungselement 7 ebnet die Wellenfront. Beim Eintritt in das dritte Substrat 3 wird die Strahlung aufgrund einer Änderung des Brechungsindex erneut gebrochen und trifft somit als geebnete Wellenfront auf den Gitterkoppler 4, wobei der Strahldurchmesser am Ort des Gitterkopplers 4 einen endlichen Wert aufweist. Vorzugsweise beträgt der Strahldurchmesser mehr als 25 µm. In 12 beträgt der Strahldurchmesser am Gitterkoppler 4 beispielsweise etwa 125 µm.
Eine Aufgabe des Gitterkopplers 4 kann sein eine elektromagnetische Kugelwelle aus einem dreidimensionalen Raum aufzunehmen und beispielsweise in einen einmodigen Wellenleiter 5 einzukoppeln und damit beispielsweise einem optischen Schaltkreis mit möglichst geringen Verlusten Strahlung zuzuführen. Gitterkoppler 4, welche dazu geeignet sind Strahlung als Strahlenbündel mit großem Strahldurchmesser einzukoppeln, können über eine periodische Ätzung im dritten Substrat 3 bzw. je nach Realisierung des integrierten optischen Systems 100 auch im ersten Substrat 1, wie beispielsweise in 22, 23 und 24 gezeigt, realisiert werden. Damit allerdings die Strahlung über eine große Fläche, welche insbesondere einen Durchmesser größer als 25 µm aufweist, verteilt aufgenommen werden kann, kann eine Beugungseffizienz pro Periode gegenüber der Beugungseffizienz von Gitterkopplern im Stand der Technik deutlich herabgesetzt werden. Die periodischen Strukturen der Gitterkoppler 4, wie sie beispielsweise als Balken in der Aufsicht in 2 dargestellt sind, sind beispielsweise über eine Ätzung von 70 nm Tiefe in Silizium realisiert, aus welchem das erste Substrat 1 und/oder das dritte Substrat 3 falls vorhanden, ausgebildet sind. Ein Flächenverhältnis zwischen geätzten Bereichen 76 und ungeätzten Bereichen 77 kann in der Nähe von 1:1 liegen. Die Beugungseffizienz pro Periode kann herabgesetzt werden, indem die Ätztiefe beispielsweise auf 40 nm reduziert und das Flächenverhältnis zwischen geätzten Bereichen 76 und ungeätzten Bereichen 77 deutlich von 1:1 verschieden gewählt wird, beispielsweise 1:5. Als Ausführungsformen ist insbesondere ein fokussierender Gitterkoppler 4 zu nennen, wie er beispielsweise in 13 in einer Aufsicht dargestellt ist und ein nicht-fokussierender Gitterkoppler 4, wie er beispielsweise in 14 in einer Aufsicht dargestellt ist.
Der fokussierende Gitterkoppler 4 in 13 ist als Segment eines Kreisrings ausgebildet. Die periodischen Strukturen des Gitterkopplers 4 sind durch geätzte Bereiche realisiert. In 13 sind als periodische Strukturen mehrere Kreisbögen geätzt, welche durch ungeätzte Bereiche 77 voneinander separiert sind. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen einem ersten Ende 4‘ des Kreisbogens, welcher den größten Radius aufweist, und einem zweiten Ende 4‘‘ des Kreisbogens 140 µm. Der fokussierende Gitterkoppler kann im Silicon-on- Insulator-System realisiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die ungeätzten Bereiche aus einem 220 nm dicken Silizium-Wellenleiter ausgebildet, wobei die Dicke senkrecht zur Zeichenebene verstanden wird. Die Periode kann für eine transversal-elektrisch polarisierte Welle (TE-Welle) zu 550 nm gewählt werden, die Breite der geätzten Bereiche zu 78 nm und die Ätztiefe zu 40 nm. Ein erster Bildausschnitt 111‘ des Gitterkopplers 4 ist in 13 vergrößert dargestellt. Die weißen Bereiche und der im Bereich der Anschlussstelle 112 mit gestrichelten Kreisbögen markierte Bereich bezeichnen die ungeätzten Bereiche 77, die schwarz eingezeichneten Bereiche bezeichnen die geätzten Bereiche 76. In 13 ist die Anschlussstelle 112 eingezeichnet, an der beispielsweise der Wellenleiter 5 ausgebildet sein kann, welcher das integrierte optische System 100 mit einem optischen Schaltkreis verbindet.
Der nicht-fokussierende Gitterkoppler 4 in 14 weist eine rechteckige Grundform in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene auf. Die periodischen Strukturen des Gitterkopplers 4 sind durch geätzte Bereiche realisiert. In 14 sind als periodische Strukturen mehrere Rechtecke geätzt, welche durch ungeätzte Bereiche 77 voneinander separiert sind. Die Rechtecke weisen in y-Richtung eine Abmessung von beispielsweise etwa 80 µm auf. Ein zweiter Bildausschnitt 111‘‘ des Gitterkopplers 4 ist in 14 vergrößert dargestellt. Die weißen Bereiche und der im Bereich der Anschlussstelle 112 mit gestrichelten Linien markierte Bereich bezeichnen die ungeätzten Bereiche 77, die schwarz eingezeichneten Bereiche bezeichnen die geätzten Bereiche 76. Auch dieses Ausführungsbeispiel kann im Silicon-on-Insulator-System mit einem 220 nm dicken Silizium-Wellenleiter realisiert werden. Die Periode kann für eine transversal-magnetisch polarisierte Welle (TM-Welle) zu 840 nm gewählt werden, die Breite der geätzten Bereich zu 180 nm, und die Ätztiefe zu 40 nm. In 14 ist die Anschlussstelle 112 eingezeichnet, an der beispielsweise der Wellenleiter 5 ausgebildet sein kann, welcher das integrierte optische System 100 mit einem optischen Schaltkreis verbindet.
Die erste laterale Positionstoleranz 1000 kann dadurch erhöht werden, dass eine geebnete Wellenfront auf einen wie vorstehend beschriebenen großflächigen Gitterkoppler 4, welcher dazu geeignet ist Strahlung als Strahlenbündel mit großem Strahldurchmesser einzukoppeln, geführt wird. Durch die Anordnung des Abbildungselements 102 zwischen dem Gitterkoppler 4 und der Lichtquelle 114 kann beispielsweise für die erste laterale Positionstoleranz 1000 ein Wert von ±5 µm bei weniger als einem Dezibel Verlust erzielt werden. Die Optimierung findet ihre Grenze dadurch, dass der Gitterkoppler 4 empfindlicher auf Einfallswinkel wird, je größer seine Fläche ist. Eine Verschiebung der Lichtquelle 114 beeinflusst nicht nur eine Strahlposition auf dem Gitterkoppler 4, sondern auch den Einfallswinkel der Strahlung am Gitterkoppler 4. Es gibt also eine optimale Größe des Gitterkopplers 4, bei der die Sensitivität gegenüber einer Änderung des Einfallswinkels klein gehalten wird und die Fläche des Gitterkopplers 4 möglichst groß gewählt wird, sodass der Gitterkoppler 4 dazu geeignet ist Strahlung als Strahlenbündel mit möglichst großem Strahldurchmesser einzukoppeln. Beispielsweise weisen die in 13 und 14 gezeigten Gitterkoppler 4, welche in dem in 11 oder 12 gezeigten Strahlengang angeordnet sind, eine geeignete optimale Größe auf, um die erste laterale Positionstoleranz 1000 der Lichtquelle 114 auf ±5 μm bei weniger als 1 Dezibel Verlust zu vergrößern. In diesen Ausführungsbeispielen können beispielsweise Wellenleiter 5 aus Silizium verwendet werden, die von Siliziumdioxid zumindest teilweise umgeben sind (das sogenannte „Silicon-on-Insulator“-System) und Abbildungselemente 7, wie beispielsweise eine refraktive Linse 70 aus Silizium, mit einem optischen Krümmungsradius von 900 μm. Das Prinzip ist auch auf weitere Systeme, beispielsweise basierend auf Silizium- Nitrid-Technologie, übertragbar.
15 zeigt einen Querschnitt einer integrierten optischen Systems 100, welches vier Lichtquellen 114 und vier Abbildungselemente 7 umfasst. Eine Herstellung des integrierten optischen Systems 100 kann basierend auf Wafer-Technologie wie folgt erfolgen. Siliziumwafer kann als zweites Substrat 2 verwendet werden. Mittels eines Die-Bonders kann das zweite Substrat 2 mit Lichtquellen 114, beispielsweise Oberflächenemittern 6 bestückt werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Oberflächenemitter äquidistant auf einer dem Einkoppelelement 101 zugewandten Seite auf dem zweiten Substrat 2 angeordnet. Beim Aufbringen der Lichtquellen 114 kann eine elektrische Kontaktierung der Lichtquellen zu Leiterbahnen auf dem zweiten Substrat erfolgen. Alternativ oder ergänzend können Kleben und Löten alleine oder in Kombination mit Drahtbonden eingesetzt werden. Ein elektrisch leitfähiger Klebstoff ist für eine genaue Positionierung der Lichtquellen 114 besonders geeignet. Mittels Wafer-Bonden kann ein erster Distanzwafer, welcher als erste Trägerstruktur 9‘ ausgebildet ist, auf die dem Einkoppelelement 101 zugewandte Seite des zweiten Substrats 2 aufgebracht und mit dem zweiten Substrat 2 verbunden werden. Eine Dicke der ersten Trägerstruktur 9‘ beschreibt eine Abmessung der ersten Trägerstruktur 9‘ in z-Richtung. Die Dicke sollte größer oder gleich einer Höhe der Lichtquellen 114, d. h. die Abmessung der Lichtquelle 114 in z-Richtung, sein. Die erste Trägerstruktur 9‘ kann ebenfalls aus Silizium ausgebildet sein, oder beispielsweise aus Glas. Glas bietet den Vorteil einer geringen Wärmeleitfähigkeit, sodass sich das erste Substrat 1 und das dritte Substrat 3 mit den Gitterkopplern 4 von den Lichtquellen 114 noch besser thermisch isolieren lassen. Die Lichtquellen 114 sind immer auch Quellen von Wärme; selbst wenn sie als Laserdioden ausgeführt sind. Es kann sinnvoll sein, diese Wärme vom integrierten optischen Schaltkreis auf dem dritten Substrat 3 fernzuhalten. Mittels Wafer-Bonden kann das erste Substrat 1 an der zweiten Seite 102‘‘ mit der ersten Trägerstruktur 9‘ verbunden werden. Das erste Substrat 1 umfasst bereits mindestens ein Abbildungselement 7, beispielsweise gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. In 15 sind beispielhaft vier einseitige refraktive Linsen 70 als Abbildungselemente 7 dargestellt und äquidistant auf der ersten Seite 102‘ des ersten Substrats 1 ausgebildet. Als Abbildungsvorrichtung 102 kann beispielsweise ein Mikrolinsenwafer aus Silizium verwendet werden. Nach Aufbringen der Abbildungsvorrichtung auf die erste Trägerstruktur 9‘ ist jeweils eine Lichtquelle 114 unterhalb eines Abbildungselements 7 angeordnet. Auf der ersten Seite des ersten Substrats 1 kann ein zweiter Distanzwafer, welcher als zweite Trägerstruktur 9‘‘ wirkt, beispielsweise mittels Wafer-Bonden aufgebracht werden. Eine Dicke der zweiten Trägerstruktur 9‘‘ beschreibt eine Abmessung der zweiten Trägerstruktur 9‘‘ in z-Richtung. Die Dicke sollte größer oder gleich einer Höhe der Abbildungselemente, d. h. die Abmessung der Abbildungselemente 7, die auf der ersten Seite angeordnet sind, in z-Richtung, sein. Mittels Wafer-Bonden kann das dritte Substrat 3, auf bzw. in dem der Gitterkoppler 4 angeordnet ist, mit der zweiten Trägerstruktur 9‘‘ verbunden werden. Die Reihenfolge der Wafer-Bondungen ist beliebig. Wafer-Bondverfahren sind beispielsweise Direktbonden, anodisches Bonden, eutektisches Bonden, Thermokompressionsbonden und Kleben. Ein sich so ergebender Waferstapel realisiert das in 15 dargestellte integrierte optische System 100, welches eine erste Trägerstruktur 9‘ und eine zweite Trägerstruktur 9‘‘ umfasst. Der Waferstapel kann anschließend vereinzelt werden, indem beispielsweise der Waferstapel an einer ersten Trennlinie 100‘ und/oder einer zweiten Trennlinie 100‘‘, welche jeweils parallel zur z-Achse verlaufen, zerteilt werden, so dass sich zwei integrierte optische Systeme 100 mit einer Lichtquelle 114 und ein integriertes optisches System mit zwei Lichtquellen 114 ergeben.
16 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100, welches Antireflexschichten 75 aufweist. Der Aufbau des integrierten optischen Systems 100 wird beispielhaft auch in den nachfolgenden Figuren für das System links der ersten Trennlinie 100‘ beschrieben. Dadurch kann Streulicht vermieden werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist in der zweiten Aussparung 8‘‘ eine dem Abbildungselement 7 gegenüberliegende Fläche des dritten Substrats 3 mit einer Antireflexschicht 75 versehen. Des Weiteren sind die zweite Seite 102‘, die erste Seite 102‘ und die Abbildungselemente 7 mit einer Antireflexschicht 75 versehen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das integrierte optische System 100 nur die erste Trägerstruktur 9‘. Bei der Herstellung wird das dritte Substrat 3 mit den vier zweiten Aussparungen beispielsweise mittels Wafer-Bonden direkt mit der zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 verbunden. Das Anbringen der Antireflexschichten kann analog bei den anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgen.
17 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100, bei dem das erste Substrat die zweite Aussparung 8‘‘ aufweist. Die Lichtquellen 114 sind als Oberflächenemitter 6 ausgebildet und dezentriert angeordnet.
18 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100, welches nur die zweite Trägerstruktur 9‘‘ aufweist. Das zweite Substrat 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel die erste Aussparung 8‘ auf. In der ersten Aussparung 8‘ ist die Lichtquelle 114 angeordnet.
19 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100, welches keine Trägerstrukturen 9‘, 9‘‘ aufweist. Das zweite Substrat 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel die erste Aussparung 8‘ auf, das dritte Substrat 3 weist die zweite Aussparung 8‘‘ auf. In der ersten Aussparung 8‘ ist die Lichtquelle 114 angeordnet.
20 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100, welches keine Trägerstrukturen 9‘, 9‘‘ aufweist. Das zweite Substrat 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel die erste Aussparung 8‘ und die zweite Aussparung 8‘‘ auf. In der ersten Aussparung 8‘ ist die Lichtquelle 114 angeordnet, in der zweiten Aussparung 8‘‘ ist das Abbildungselement 7 angeordnet.
21 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100, welches die erste Trägerstruktur 9‘ und die zweite Trägerstruktur 9‘‘ aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Gitterkoppler 4 auf der dritten Seite 3‘ des dritten Substrats angeordnet.
22 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100, welches eine Trägerstruktur 9 umfasst. Auf einer dem Einkoppelelement 101 zugewandten Seite ist die Lichtquelle 114, in diesem Ausführungsbeispiel ein Oberflächenemitter 6, auf dem zweiten Substrat 2 angeordnet. Das erste Substrat 1 wird durch die Trägerstruktur 9 von dem zweiten Substrat 2 beabstandet, wobei im Bereich der Lichtquelle 114, die erste Aussparung 8‘ ausgebildet ist. Das Abbildungselement 7 ist auf der zweiten Seite 102‘‘ des ersten Substrats 1 angeordnet. Auf der ersten Seite 102‘ des ersten Substrats 1 ist der Gitterkoppler ausgebildet.
23 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100 ohne Trägerstruktur 9. In diesem Ausführungsbeispiel weist das erste Substrat 1 auf der zweiten Seite 102‘‘ die erste Aussparung 8‘ auf, in der das Abbildungselement 7 und die Lichtquelle 114 angeordnet sind.
24 zeigt einen Querschnitt eines integrierten optischen Systems 100 ohne Trägerstruktur 9. In diesem Ausführungsbeispiel weist das zweite Substrat 2 die erste Aussparung 8‘ auf, in der das Abbildungselement 7 und die Lichtquelle 114 angeordnet sind.
25 zeigt eine Aufsicht auf das zweite Substrat 2, auf welchem mehrere Lichtquellen 114 äquidistant zueinander in einer Matrix angeordnet sind.
26 zeigt eine Aufsicht auf das erste Substrat 1, auf welchem mehrere Abbildungselemente 7 äquidistant zueinander in einer Matrix angeordnet sind.
27 zeigt eine Aufsicht auf das dritte Substrat 3, auf welchem mehrere Gitterkoppler 4 äquidistant zueinander in einer Matrix angeordnet sind.
28 zeigt eine Aufsicht auf die Trägerstruktur 9, 9‘, 9‘‘, in welche mehrere Aussparungen 8‘, 8‘‘ äquidistant zueinander in einer Matrix angeordnet sind.
Unter Verwendung der in 25, 26, 27 und 28 kann beispielsweise ein Waferstapel des integrierten optischen Systems 100 wie vorstehend beschrieben hergestellt werden.
29 zeigt ein Verfahren 13 zum Einkoppeln von Strahlung in einem integrierten optischen System 100. Es erfolgt eine Bestrahlung 10 der Abbildungsvorrichtung 102, das Ebnen 11 der Wellenfront der Strahlung durch die Abbildungsvorrichtung 102 und das Einkoppeln 12 der geebneten Wellenfront der Strahlung in den Gitterkoppler 4. Die Bestrahlung 10 kann beispielsweise durch eine Lichtquelle 114 wie vorstehend beschrieben realisiert werden. Das Einkoppeln 12 kann durch die Verwendung eines großflächigen Gitterkopplers 4 wie vorstehend beschrieben begünstigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6542672 B2 [0001]

Claims

Integriertes optisches System (100), umfassend – ein Einkoppelelement (101), welches mindestens eine Abbildungsvorrichtung (102) umfasst, und – eine Lichtquelle (114), die dazu eingerichtet ist, Strahlung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass – das Einkoppelelement (101) mindestens einen Gitterkoppler (4) umfasst, der dazu eingerichtet ist von der Lichtquelle (114) erzeugte Strahlung einzukoppeln und – die Abbildungsvorrichtung (102) zwischen der Lichtquelle (114) und dem Gitterkoppler (4) angeordnet ist.
Integriertes optisches System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (114) einen Oberflächenemitter (6) umfasst.
Integriertes optisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement (101) mindestens einen Wellenleiter (5) umfasst.
Integriertes optisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterkoppler (4) dazu ausgelegt ist, Strahlen mit einem Strahldurchmesser größer als 25 µm aufzunehmen.
Integriertes optisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsvorrichtung (102) ein erstes Substrat (1) umfasst, welches eine dem Gitterkoppler (4) zugewandte erste Seite (102‘) und eine vom Gitterkoppler (4) abgewandte zweite Seite (102‘‘) aufweist und welches auf der ersten Seite (102‘) und/oder der zweiten Seite (102‘‘) mindestens ein Abbildungselement (7) aufweist.
Integriertes optisches System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbildungselement (7) als eine einseitige refraktive Linse (70), eine doppelseitige refraktive Linse (71), eine Gradientenindexlinse (72), eine Fresnel-Linse (73) und/oder eine Fresnel’sche Zonenplatte (74) ausgebildet ist.
Integriertes optisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seite (102‘, 102‘‘) des ersten Substrats (1) zumindest teilweise mit einer Antireflexschicht (75) beschichtet ist.
Integriertes optisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbildungselement (7) auf einer Seite (102‘, 102‘‘) des ersten Substrats (1) angeordnet ist und der mindestens eine Gitterkoppler (4) auf einer von der Seite (102‘, 102‘‘) abgewandten Seite (102‘, 102‘‘) des ersten Substrats (1) angeordnet ist.
Integriertes optisches System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterkoppler (4) auf einem dritten Substrat (3) angeordnet ist, wobei das erste Substrat (1) und das dritte Substrat (3) miteinander verbunden sind.
Integriertes optisches System (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (1) und das dritte Substrat (3) über eine zweite Trägerstruktur (9‘‘) miteinander verbunden sind.
Integriertes optisches System (100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem ersten Substrat (1) zugewandte dritte Seite (3‘) des dritten Substrats (3) mit einer Antireflexschicht (75) beschichtet ist.
Integriertes optisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (114) dezentriert bezüglich einer optischen Achse (107) angeordnet ist.
Integriertes optisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Lichtquelle (114) auf einem zweiten Substrat (2) angeordnet ist, welches auf einer vom Gitterkoppler (4) abgewandten zweiten Seite (102‘‘) der Abbildungsvorrichtung (102) angeordnet ist.
Verfahren (13) zum Einkoppeln von Strahlung in einem integrierten optischen System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Bestrahlung (10) der Abbildungsvorrichtung (102), – ein Ebnen (11) einer Wellenfront der Strahlung durch die Abbildungsvorrichtung (102) und – ein Einkoppeln (12) der geebneten Wellenfront der Strahlung in den Gitterkoppler (4) erfolgt.