DE102016221806A1

DE102016221806A1 - Optische Komponenten für Wellenlängen-Multiplexverfahren mit optischen Verbindungsmodulen hoher Dichte

Info

Publication number: DE102016221806A1
Application number: DE102016221806.9A
Authority: DE
Inventors: Jean Benoit Héroux
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2036-11-09
Also published as: CN106896447B; CN106896447A; JP6810596B2; GB2545766A; GB201613315D0; DE102016221806B4; US20170176683A1; US10739518B2; JP2017116934A

Abstract

Einheiten zum Wellenlängen-Multiplexen und Verfahren hierfür enthalten eine Kopplungslinse und einen Lichtwellenleiter, wobei die Linse oberhalb eines Spiegels angeordnet ist, der in einem Strahlengang des Lichtwellenleiters gebildet ist. Der Spiegel reflektiert ankommende Lichtsignale aus dem Strahlengang zur Linse hin und reflektiert außerdem von der Linse kommende Lichtsignale in den Strahlengang. Nahe einem Brennpunkt der Linse ist ein Optik-Chip angeordnet. Optik-Chip hat ein optisches Filter, das zum Durchlassen eines Lichtsignals mit einer ersten Wellenlänge und zum Reflektieren empfangener Lichtsignale mit Wellenlängen konfiguriert ist, die von der ersten Wellenlänge verschieden sind.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Wellenlängen-Multiplexverfahren und insbesondere Linsenanordnungen, die in Verbindung mit Mikrospiegeln verwendet werden, um eine Struktur mit geringen optischen Verlusten und verbesserten Justiertoleranzen zu erzeugen.
Beschreibung der zugrundeliegenden Technik
Eine Möglichkeit zum Erhöhen der Gesamtdatenübertragungsmenge in einem optischen System besteht in der Anwendung des Wellenlängen-Multiplexverfahrens (WDM), um mehrere Signalkanäle in einem einzigen Lichtwellenleiterkern zu übertragen. Dadurch wird die Kanaldichte erhöht, sodass durch Verwenden derselben Anzahl von Lichtwellenleiterkernen im Wesentlichen mehr Daten gesendet werden können.
In letzter Zeit lag das Schwergewicht der Anstrengungen auf der Entwicklung von integrierten Polymer-Lichtwellenleitern mit optoelektronischen Chip-Arrays (VCSEL und Fotodioden), um die Bandbreitendichten eines optischen Übertragungssystems zu erhöhen. In der Entwicklung befinden sich kostengünstige Fertigungsverfahren für die Massenproduktion.
Die Umsetzung des WDM-Verfahrens stößt jedoch bei herkömmlichen Fertigungsverfahren auf Probleme. Üblicherweise werden zum Auskoppeln des Lichts aus den VCSELs in die Lichtwellenleiterkerne und aus den Lichtwellenleiterkernen in die Fotodioden Mikrospiegel verwendet, die auf der Totalreflexion oder einer Goldbeschichtung beruhen. Diese Mikrospiegel sind jedoch im betreffenden Spektralbereich nicht wellenlängenselektiv und können bei Lichtsignalen mit mehreren Wellenlängen nicht als Filter verwendet werden. Deshalb sind neue optische Anordnungen erforderlich, die zu geringen Kosten gefertigt werden können, geringe optische Verluste aufweisen und mit einer hohen Kerndichte in Polymer-Lichtwellenleitern und Multilplexanordnungen kompatibel sind. Dies ist besonders bei Empfängern wichtig, bei denen mehrere Lichtkanäle mit unterschiedlichen Wellenlängen in demselben Kern wirksam gemultiplext werden sollen. Fertigungsfehler und -schwankungen, die zu optischen Abweichungen führen, können die Verlust- und Bitfehlerhäufigkeit deutlich erhöhen, was in einer optischen Leitung von Nachteil ist. Außerdem werden Fotodiodenarrays mit kleinen aktiven Bereichen und niedriger Kapazität benötigt, um eine hohe Bandbreite zu erreichen.
KURZDARSTELLUNG
Eine Wellenlängen-Multiplexeinheit (WDM device) enthält einen Lichtwellenleiter und eine Kopplungslinse oberhalb eines Spiegels, der in einem Strahlengang des Lichtwellenleiters gebildet ist. Der Spiegel reflektiert aus dem Strahlengang ankommende Lichtsignale zur Linse hin und reflektiert außerdem von der Linse kommende Lichtsignale in den Strahlengang. Nahe eines Brennpunkts der Linse ist ein Optik-Chip angeordnet. Der Optik-Chip hat ein optisches Filter zum Durchlassen eines Lichtsignals mit einer ersten Wellenlänge und zum Reflektieren von Lichtsignalen bei von der ersten Wellenlänge abweichenden Wellenlängen.
Ein WDM-System enthält eine Mehrzahl WDM-Einheiten, einen Lichtwellenleiter und eine Kopplungslinse oberhalb eines Spiegels, der in einem Strahlengang des Lichtwellenleiters gebildet ist. Der Spiegel reflektiert ankommende Signale zur Linse hin aus dem Strahlengang und reflektiert außerdem von der Linse kommende Signale in den Strahlengang. Nahe einem Brennpunkt der Linse ist ein Optik-Chip angeordnet. Der Optik-Chip hat ein optisches Filter zum Durchlassen eines Lichtsignals mit einer entsprechenden Wellenlänge und zum Reflektieren von Lichtsignalen mit von der entsprechenden Wellenlänge abweichenden Wellenlängen.
Ein Verfahren zum Bilden einer Wellenlängen-Multiplexeinheit beinhaltet Bilden eines Spiegels in einem Strahlengang eines Lichtwellenleiters. Oberhalb des Spiegels ist eine Linse am Lichtwellenleiter angebracht. Das Filter enthält eine Mehrzahl dielektrischer Wechselschichten. Das Filter ist so aufgebaut, dass es ein empfangenes Signal mit einer ersten Wellenlänge durchlässt und Signale mit von der ersten Wellenlänge abweichenden Wellenlängen reflektiert. Das Optik-Chip-Array ist nahe einem Brennpunkt der Linse angeordnet.
Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von deren anschaulichen Ausführungsformen klar, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGSANSICHTEN
Die Offenbarung stellt Einzelheiten in der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren bereit, wobei;
1 ein Schaubild eines Wellenlängen-Multiplexsystems (WDM system) gemäß den vorliegenden Grundgedanken ist;
2 ein Schaubild eines Optik-Chips und eines Filters ist, die gemäß den vorliegenden Grundgedanken durch eine Linse und einen Spiegel mit einem Lichtwellenleiter verbunden sind;
3 ein Schaubild eines Optik-Chips und eines Filters ist, die gemäß den vorliegenden Grundgedanken durch eine Linse und einen Spiegel mit einem Lichtwellenleiter verbunden sind;
4 ein Schaubild eines Optik-Chips ist, der gemäß den vorliegenden Grundgedanken durch eine Linse und einen Spiegel mit einem Lichtwellenleiter verbunden ist;
5 ein Schaubild einer Reihe von Optik-Chips ist, die gemäß den vorliegenden Grundgedanken durch entsprechende Linsen und Spiegel mit einem Lichtwellenleiter verbunden sind;
6 ein Schaubild eines Optik-Chips und eines Filters ist, die gemäß den vorliegenden Grundgedanken durch eine Linse und einen Spiegel mit einem Lichtwellenleiter verbunden sind;
7 ein Schaubild einer Polymer-Lichtwellenleiterstruktur gemäß den vorliegenden Grundgedanken ist;
8 ein Schaubild einer Trägerschicht für Chips gemäß den vorliegenden Grundgedanken ist;
9 ein Schaubild eines zusammengesetzten WDM-Systems gemäß den vorliegenden Grundgedanken ist; und
10 ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Herstellen eines WDM-Systems gemäß den vorliegenden Grundgedanken ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird oberhalb eines Doppel-Mikrospiegels in dem Strahlengang eines Lichtwellenleiterkern-Arrays eine Zweiwegelinse angeordnet. Im Fall eines Empfängers mit einer Demultiplex-Fähigkeit dient das Linsenarray dazu, den durch eine Seite des Mikrospiegels reflektierten und aus der Lichtwellenleiterebene austretenden Lichtstrahl leicht zu neigen und den Strahl unter einem nahezu senkrechten Winkel auf ein dielektrisches Bragg-Filter zu fokussieren, das auf einem Fotodioden-Chip-Array abgeschieden ist. Eine der Wellenlängen durchläuft das Filter und wird zu den aktiven Bereichen des Fotodioden-Arrays durchgelassen, während die anderen Wellenlängen wieder in das Linsen-Array reflektiert werden, das dazu dient, die ankommenden Signale zurück in die Lichtwellenleiterkerne zu übertragen, nachdem sie durch die zweite Seite des Mikrospiegels reflektiert wurden.
Dieselben Grundgedanken gelten für einen Sender mit einer Multiplexfunktion unter Verwendung von VCSEL-Arrays, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, wobei das Licht in der entgegengesetzten Richtung verläuft und in jedem Kern verschiedene Wellenlängen zusammengeführt werden. Das Zweiwegelinsen-Array wird für jeden Kanal verwendet, um das Licht auf das dielektrische Filter zu kollimieren und zu fokussieren, das reflektierte Licht durch Refokussieren wieder zurück in die Lichtwellenleiterkerne zu übertragen und den Gesamtjustierfehler zu verringern.
In den Zeichnungen werden gleiche oder ähnliche Elemente durch gleiche Bezugsnummern bezeichnet, wobei zunächst in 1 eine WDM-Einheit 100 gezeigt ist. Die WDM-Einheit 100 kann auf einem organischen Trägersubstrat aufgebaut sein und enthält einen Prozessor 101, der elektrische Signale sendet und empfängt. Zum Austauschen von Daten der Einheit 100 verwendet der Prozessor 101 einen Sendestrahlengang 110 und einen Empfangsstrahlengang 112, die vom Prozessor 101 kommende elektrische Signale in optische Signale umwandeln, die den Chip verlassen. Für den Sendestrahlengang 110 und den Empfangsstrahlengang 112 können zum Beispiel Polymer-Lichtwellenleiter verwendet werden, um optische Signale von deren Ursprung zu ihrem Ziel zu leiten. Jeder Strahlengang kann mehrere Lichtwellenleiterkerne enthalten, wobei jeder Lichtwellenleiterkern mehrere Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen transportiert.
Bei diesem bestimmten Beispiel enthält der Sendestrahlengang 110 einen Satz von vier Laserdiodentreiber-Arrays 102 paarweise mit vier entsprechenden Oberflächenlaserdioden-Arrays (VCSEL arrays) 104, die jeweils Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge emittieren. Jeder Treiber in dem Laserdiodentreiber-Array 102 empfängt ein elektrisches Signal von dem Prozessor 101 und steuert einen VCSEL der VCSEL-Arrays 104 an, um das elektrische Signal in ein optisches Signal umzuwandeln, das in einen Lichtwellenleiterkern des Sendestrahlengangs 110 eingekoppelt wird. Im Empfangsstrahlengang 112 wandeln Fotodetektor-Arrays 108 und Transimpedanzverstärker-Arrays 106 die empfangenen optischen Signale in elektrische Signale um, die durch den Prozessor 101 empfangen werden. Der Sendestrahlengang 110 und der Empfangsstrahlengang 112 können jeweils an ein Lichtwellenleiter-Array gekoppelt werden, um das Signal zu einer anderen Leiterplatte zu übertragen.
Zum Umsetzen dieser Konstruktion ist eine gewisse Wellenlängenselektivität erforderlich. Insbesondere muss das Licht von den VCSEL-Arrays 104 ₂, 104 ₃ and 104 ₄ entlang des Übertragungsstrahlengangs 110 in die Lichtwellenleiterkerne eingekoppelt werden, während das Licht von den Arrays 104 ₁, 104 ₂ und 104 ₃ übertragen wird. Desgleichen sollten die Fotodetektor-Arrays 108 im Empfangsstrahlengang 112 eine einzelne Wellenlänge aus den Lichtwellenleitern detektieren, während Licht der anderen Wellenlängen innerhalb der Lichtwellenleiterkerne übertragen wird.
Zu diesem Zweck verwenden die vorliegenden Ausführungsformen ein Bragg-Filter, das auf den aktiven Bereichen der VCSEL-Arrays 104 und der Fotodetektor-Arrays 108 angeordnet ist. Das Bragg-Filter ist bei einer einzigen Wellenlänge durchlässig und bei den anderen Wellenlängen reflektierend. Da Lichtstrahlen außerhalb der Lichtwellenleiterkerne jedoch unter einem Winkel divergieren, sind zum Fokussieren des Lichts auf die Filter und auf die Lichtwellenleiterkerne bestimmte optische Elemente erforderlich, um die optischen Verluste zu begrenzen. Die Konstruktion muss auch eine mögliche Schiefstellung der Komponenten im Strahlengang vertragen. Insbesondere im Fall der in den Arrays 108 verwendeten Fotodioden sind die Durchmesser der aktiven Bereiche der Dioden klein, um eine möglichst große Bandbreite zu erzielen, und das Licht muss zur Vermeidung von Signalverlusten genau auf die richtige Stelle fokussiert werden.
2 zeigt einen Teil eines Wellenlängen-Multiplexempfängers (WDM receiver) 200. Der Lichtwellenleiterkern 202 und der Mantel 204 bestehen z. B. aus Polymerwerkstoffen mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Ein Lichtstrahl 206 breitet sich in dem Lichtwellenleiterkern 202 aus und beinhaltet verschiedene Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄. Der Lichtstrahl 206 trifft auf eine Seite eines Mikrospiegels 216, der den Lichtstrahl 206 vom Strahlengang des Lichtwellenleiterkerns 202 umlenkt. Bei dem Mikrospiegel 216 kann es sich um einen Luftspalt von 45 Grad handeln, an dem Totalreflexion erfolgt. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Spiegel unter Verwendung einer Präzisionssäge oder durch Laserablation gebildet werden. Der Spiegel 216 kann mit einem Metall oder einer anderen Reflexionsschicht beschichtet sein, sodass ein von der Totalreflexion verschiedener Mechanismus Anwendung findet.
Der reflektierte Lichtstrahl läuft durch den Lichtwellenleitermantel 204 und tritt durch die Linse 214, die auf dem Spiegel 216 angeordnet ist. Die Linse 214 kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, darunter z. B. Glas oder ein Polymer, das dem Lichtwellenleitermantel 204 ähnlich sein kann. Die Linse 214 fokussiert den Lichtstrahl 216 auf eine optoelektronische Einheit 212. Im Fall eines Empfängers wie in der Figur handelt es sich bei der optoelektronischen Einheit 212 um einen Detektor wie beispielsweise eine Fotodiode. Der Lichtstrahl 206 trifft auf eine Filterschicht 208, die den aktiven Bereich 210 des Detektors 200 bedeckt. Bei der Filterschicht 208 kann es sich zum Beispiel um ein Bragg-Filter handeln, das eine einzige Wellenlänge (z. B. λ₁) durchlässt und die anderen Wellenlängen des Lichtstrahls 206 reflektiert. Die Linse 214 ist so beschaffen, dass sie den Lichtstrahl 206 unter einem zur Eintrittsfläche nahezu senkrechten Winkel zur Filterschicht 208 umlenkt. Bei Verwendung eines Bragg-Filters wird durch den nahezu senkrechten Winkel die Polarisationsabhängigkeit der Filterschicht 208 verringert und deren Wirkungsgrad erhöht. Ein Mikrolinsen-Array kann z. B. durch 3D-Druck oder andere industrielle Techniken wie beispielsweise Spritzguss hergestellt werden. Das Mikrolinsen-Array kann mittels eines geeigneten transparenten Klebstoffs auf dem Lichtwellenleitermantel 204 befestigt werden. Die Linse 214 kann unter Verwendung spezieller Pinzetten und eines Positionierungsmechanismus, der motorgetrieben sein kann, positioniert werden. Zum Ermöglichen einer genauen Ausrichtung können sich auf der Strukturfläche Justiermarken befinden.
Reflektierte Lichtsignale mit den Wellenlängen λ₂, λ₃ und λ₄ treten ein zweites Mal durch die Linse 214 und den Lichtwellenleitermantel 204 und werden dann durch die zweite Hälfte des Mikrospiegels 216 reflektiert, bevor sie in den Lichtwellenleiterkern 202 eintreten.
Die Strecke zwischen der Oberseite der Linse 214 und der Filterschicht 208 ist hierin mit h und die Winkelabweichung des Lichtstrahls 206 von der Normalen mit θ bezeichnet. Der Lichtstrahl 206 hat eine Anfangsbreite w innerhalb des Lichtwellenleiterkerns 202, bevor er durch die Linse 214 tritt.
Gemäß einer bestimmten Ausführungsform kann der Spiegel 206 eine Höhe von z. B. 50 μm und eine Breite von z. B. 100 μm haben, wobei jede Seite eine Fläche hat, die unter einem Winkel von 45 Grad zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 206 liegt. Gemäß dieser Ausführungsform hat die Linse 214 einen Radius von 120,7 μm und eine Brennweite von 217 μm. Vorgesehen ist insbesondere, dass die Linse 214 doppelt so groß wie der Lichtstrahl 206 ist. Sowohl der Lichtwellenleitermantel 204 als auch die Linse 214 haben einen Brechungsindex von 1,537 und der Lichtwellenleiterkern 202 hat einen Brechungsindex von 1,555. Im Allgemeinen kann die Linse 214 sphärisch oder asphärisch sein und einen Basisdurchmesser von ungefähr 150 μm bis ungefähr 200 μm, eine Mittendicke von ungefähr 40 bis 50 μm und eine Brennweite von ungefähr 100 μm bis ungefähr 200 μm haben. Der Lichtwellenleiterkern 202 kann eine Dicke von ungefähr 30 μm bis ungefähr 50 μm und der Lichtwellenleitermantel eine obere und untere Dicke von ungefähr 20 μm bis ungefähr 50 μm haben.
Gemäß einer bestimmten Ausführungsform ist die Filterschicht 208 aus einer periodischen Schichtstruktur mit neun Perioden gebildet. Die Filterschicht 208 ist bei dieser Ausführungsform aus dielektrischen Wechselschichten aufgebaut, wobei die erste dielektrische Schicht aus Siliciumdioxid (mit einem beispielhaften Brechungsindex von 1,46) und die zweite dielektrische Schicht aus Titandioxid (mit einem beispielhaften Brechungsindex von 2,4) besteht.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Demultiplexeinheit 300, mit der Aberrationen und optische Verluste verringert werden können. Gemäß dieser Ausführungsform wird anstelle einer axialsymmetrischen Linse eine planarsymmetrische Linse 302 verwendet. Die Figur zeigt, dass die Form der planarsymmetrischen Linse 302 aus zwei einander überlappenden kleineren Linsen gebildet sein kann, jedoch sollte einsichtig sein, dass zum Verringern von Verlusten jede beliebige Form verwendet werden kann.
3 veranschaulicht auch einen Spiegel 304, der um weniger als 45 Grad geneigt ist. In diesem Fall lenkt der Spiegel 304 den Lichtstrahl 206 auf das Bragg-Filter 208, und die Linse 302 fokussiert den Lichtstrahl 206. Dann tritt der reflektierte Lichtstrahl 206 durch die entgegengesetzte Hälfte der planarsymmetrischen Linse 302 und wird am Spiegel 304 wieder zurück zum Lichtwellenleiterkern 202 reflektiert. Je nach dem Brechzahlprofil des Lichtwellenleiters und dem räumlichen und Winkelprofil der Strahlleistung kann diese Anordnung zu einer kleineren Brennfleckgröße im aktiven Bereich des Detektors und einem kleineren Justierfehler führen.
4 zeigt einen Teil eines WDM-Senders 400. Oberhalb der Linse 214 und des Spiegels 216 ist ein Emitter 408 angeordnet. Ein Lichtstrahl 406 mit einer oder mehreren Wellenlängen (in diesem Fall die Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃) wird durch den Spiegel 216 reflektiert, tritt durch die Linse 214 und wird erneut durch das Filter 404 reflektiert, das bei der Wellenlänge λ₄ transparent ist. Der Emitter 408 enthält einen aktiven Bereich 402, der gegebenenfalls das Filter 404 überlappen kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass es sich bei dem Emitter um einen Hochgeschwindigkeits-VCSEL mit einem aktiven Bereich 402 handelt, der einen Lichtstrahl 410 bei einer Wellenlänge λ₄ emittiert. Der Lichtstrahl 410 wird unter einem Winkel von null Grad emittiert und ist so angeordnet, dass er nur durch die zweite Seite des Spiegels 216 reflektiert wird. Der Lichtstrahl tritt durch die Linse 214 und wird in den Strahlengang des Lichtwellenleiterkerns 202 reflektiert. Die Linse 214 wirkt sich nur geringfügig auf den Strahlengang des neuen Lichtstrahls 410 aus, da dieser senkrecht zur Ebene des Lichtwellenleiters emittiert wird.
5 zeigt ein komplettes Demultiplexersystem, das eine Reihe von vier Detektorstrukturen 200 an einem einzigen Lichtwellenleiter 500 enthält. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform kann sich in dem Lichtwellenleiterkern ein Lichtstrahl mit zufälliger Polarisation und vier Wellenlängen: 850 nm, 940 nm, 1010 nm und 1060 nm ausbreiten. Gemäß diesem Beispiel kann der erste Detektor 200 ₁ einen hohen Reflexionsgrad für einen Bereich von 850 nm bis 1010 nm und einen hohen Transmissionsgrad bei 1060 nm haben, wobei der Einfallswinkel des Lichts am Filter 208 ungefähr 10 Grad beträgt. Der zweite Empfänger 200 ₂ kann einen hohen Reflexionsgrad von 850 nm bis 980 nm und einen hohen Transmissionsgrad bei 1010 nm haben, wobei Licht mit einer Wellenlänge von 1060 nm nicht mehr im Lichtwellenleiterkern 202 vorkommt. Das dritte Filter 200 ₃ kann einen hohen Reflexionsgrad von 850 nm bis 950 nm und einen hohen Transmissionsgrad bei 980 nm haben, wobei der vierte Empfänger 502 gegebenenfalls kein Filter haben kann. Der vierte Empfänger 502 braucht keine Wellenlängenselektivität, da im Kern nur eine Wellenlänge zurückbleibt. Gemäß einer Ausführungsform wird für das Multiplexersystem eine ähnliche Struktur verwendet, die vier Emitter 400 bei den Wellenlängen 850, 980, 1010 beziehungsweise 1060 nm verwendet.
6 zeigt, dass bei der Fertigung und Montage der Struktur gewisse Justierfehler unvermeidbar sind. Insbesondere weist die Strecke von der Linse zum Filter einen Fehler Δh und die Fotodioden-Filterbaugruppe 602 einen Winkelfehler α auf. Eine Aufgabe der Zweiwegelinse 214 besteht darin, diese Justiertoleranz zu vergrößern, damit geringe Gesamtverluste bei allen Wellenlängen erreicht werden. Die Gesamtfläche des detektierten Lichtflecks sollte kleiner als die aktive Fläche der Fotodiode und ganz in dieser enthalten sein. Außerdem muss das Bild am Ausgang des Lichtwellenleiters nach der Reflexion durch die Filter am Eingang des Lichtwellenleiters wiederhergestellt werden. Bei der in den 2 und 5 oben beschriebenen besonderen Ausführungsform zeigt eine Berechnung der Strahlausbreitung, dass ein Winkelfehler von α gleich +/–0,5 Grad oder weniger und ein Lagefehler von Δh gleich +/–5 μm zu einem Leistungsverlust zwischen 1 und 4 dB bei einem Anregungssignal in der Grundmode führen, das nach dem Durchlaufen mehrerer Reflexionen im Strahlungsgang der Filter in den Empfängern 200 ₁, 200 ₂ und 200 ₃ die letzte Fotodiode im Empfänger 502 erreicht, was für eine optische Verbindung mit einem üblichen Gesamtleistungspegel von 10 bis 12 dB vertretbar ist.
Es sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung anhand einer bestimmten anschaulichen Architektur mit einem organischen Trägersubstrat beschrieben wird; innerhalb des Schutzumfangs der vorliegende Erfindung können jedoch andere Architekturen, Strukturen, Substratmaterialien und Prozessmerkmale variiert werden.
Es ist auch klar, dass, wenn ein Element wie beispielsweise eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „auf” oder „oberhalb” eines anderen Elements bezeichnet wird, sich dieses direkt auf dem anderen Element befinden kann oder dazwischen weitere Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element jedoch als „direkt auf oder „direkt oberhalb” eines anderen Elements bezeichnet wird, sind dazwischen keine weiteren Elemente vorhanden. Es ist auch klar, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, dieses direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder dazwischen weitere Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element jedoch als mit einem anderen Element „direkt verbunden” oder „direkt gekoppelt” bezeichnet wird, sind dazwischen keine weiteren Elemente vorhanden.
Ein Entwurf für einen Chip mit integrierter Schaltung kann in einer grafischen Computer-Programmiersprache erzeugt und in einem Computer-Speichermedium (beispielsweise einer Platte, einem Band, einem physischen Festplattenlaufwerk oder einem virtuellen Festplattenlaufwerk wie beispielsweise in einem Speichernetzwerk) gespeichert werden. Wenn der Entwickler keine Chips oder fotolithografischen Masken zur Herstellung von Chips herstellt, kann er seinen Entwurf durch physikalische Mittel (z. B. durch Bereitstellen einer Kopie des Speichermediums, in dem der Entwurf gespeichert ist) oder elektronisch (z. B. durch das Internet) direkt oder indirekt an solche Institutionen senden. Der gespeicherte Entwurf wird dann in das passende Format (z. B. GDSII) zur Fertigung fotolithografischer Masken konvertiert, die üblicherweise mehrere Kopien des betreffenden Chipentwurfs beinhalten, der auf einem Wafer gebildet werden soll. Die fotolithografischen Masken dienen dazu, Bereiche des Wafers (und/oder der darauf befindlichen Schichten) zu definieren, die geätzt oder anderweitig bearbeitet werden sollen.
Hierin beschriebene Verfahren können zur Herstellung von Chips mit integrierten Schaltungen verwendet werden. Die hergestellten Chips mit integrierten Schaltungen können durch den Hersteller in Gestalt eines Rohwafers (d. h. eines einzigen Wafers mit mehreren ungekapselten Chips), als Nackt-Chip oder in gekapselter Form geliefert werden. Im letzteren Fall wird der Chip in ein einzelnes Chip-Gehäuse (beispielsweise einen Kunststoffträger mit Leitungen, die auf einer Steuerplatine oder einem anderen übergeordneten Träger befestigt sind) oder in einem Multi-Chip-Bauelement (beispielsweise einem Keramikträger mit Anschlüssen auf einer oder beiden Seiten oder mit verborgenen Anschlüssen) angebracht. In jedem Fall ist der Chip dann mit anderen Schaltkreiselementen und/oder Signalverarbeitungseinheiten als Bestandteil entweder (a) eines Zwischenprodukts wie beispielsweise einer Steuerplatine oder (b) eines Endprodukts integriert. Bei dem Endprodukt kann es sich um ein beliebiges Produkt handeln, das Chips mit integrierten Schaltungen enthält, von Spielzeugen und anderen anspruchslosen Anwendungen bis zu leistungsfähigen Computerprodukten mit einem Bildschirm, einer Tastatur oder einer anderen Eingabeeinheit und einem Hauptprozessor.
Eine Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine bestimmte Ausführungsform” oder „eine Ausführungsform” sowie weitere Ausdrucksvarianten ist dahingehend auszulegen, das ein bestimmtes in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes Merkmal, eine Struktur oder Eigenschaft und so weiter in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Grundgedanken enthalten ist. Somit betreffen die Ausdrücke ”gemäß einer bestimmten Ausführungsform” oder ”gemäß einer Ausführungsform” sowie beliebige andere Ausdrucksvarianten beim Vorkommen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung nicht unbedingt ein und dieselbe Ausführungsform.
Es sollte einsichtig sein, dass bei Verwendung eines der Ausdrücke „I”, ”und/oder” und „mindestens eines von”, zum Beispiel A/B, „A und/oder B” und „mindestens eines von A und B”, nur die Auswahl der ersten aufgeführten Option (A), nur die Auswahl der zweiten aufgeführten Option (B) oder die Auswahl der beiden Optionen (A und B) gelten soll. Ein weiteres Beispiel besagt, dass in den Fällen „A, B und/oder C” nur die Auswahl der ersten aufgeführten Option (A) oder nur die Auswahl der zweiten aufgeführten Option (B) oder nur die Auswahl der dritten aufgeführten Option (C) oder nur die Auswahl der ersten und der zweiten aufgeführten Option (A und B) oder nur die Auswahl der ersten und der dritten aufgeführten Option (A und C) oder nur die Auswahl der zweiten und der dritten aufgeführten Option (B und C) oder die Auswahl aller drei Optionen (A und B und C) gelten soll. Dem Fachmann ist klar, dass dies auf beliebig viele Posten ausgeweitet werden kann.
7 zeigt eine Polymer-Lichtwellenleiterstruktur 702 mit einer beispielhaften Fläche von mehreren Quadratzentimetern mit zwei Mehrkanalkern-Arrays 704 ₁ und 704 ₂ jeweils für den Sender- und Empfängerteil. Zum Bilden der zweiseitigen Mikrospiegel 200 sind von der Rückseite her Nuten 706 erzeugt. Eine Linse 708 ist über jeder Nut 706 angeordnet, wo diese in die Lichtwellenleiter 704 einschneidet. Die Polymer-Lichtwellenleiterstruktur 202 hat beispielhafte Abmessungen von z. B. ungefähr 10 mm bis ungefähr 25 mm.
8 zeigt einen Chip-Träger 802. Der Chip-Träger 802 hat beispielhafte Abmessungen von ungefähr 10 mm bis ungefähr 20 mm und kann z. B. aus Silicium oder einem anderen geeigneten Leiterplattenmaterial mit einer beispielhaften Dicke von ungefähr der Brennweite der Linsen 708 gebildet sein. Löcher 804 mit einem Durchmesser geringfügig kleiner als die Linsen 708 und Durchgangskontakte 808 für elektrische Kontakte sind gebildet. Auf dem Chip-Träger 802 sind Oberflächenkontakte 802 z. B. durch Aufdampfen von Gold oder anderen Leitern zum Bilden von leitenden Kontaktflächen gebildet.
9 zeigt den Chip-Träger 802, der auf der Polymer-Lichtwellenleiterstruktur 702 angebracht ist. Die Chips 902 und 904 auf dem Chip-Träger 802 werden mittels der Flip-Chip-Technologie mit den entsprechenden elektrischen Kontakten verbunden. Dann kann die gesamte Struktur auf ein Substrat aufgebracht werden und die Durchgangskontakte 808 können zum Verbinden der Chips 902/904 mit anderen elektrischen Strukturen verwendet werden.
10 zeigt ein Verfahren zum Bilden eines kompletten WDM-Systems 100. In Block 1002 wird ein Filter 208 auf dem aktiven Bereich eines optischen Chip-Arrays 212 gebildet. Das Bilden des Filters 208 kann z. B. durch abwechselndes Aufdampfen von Titandioxid- und Siliciumdioxidschichten erfolgen, um ein Filter mit einem hohen Transmissionsgrad bei einer bestimmten Wellenlänge und einem hohen Reflexionsgrad bei anderen verwendeten Wellenlängen zu erzeugen. In Block 1004 wird der Polymer-Lichtwellenleiter 702 unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Technik hergestellt, was ein Bilden der Lichtwellenleiterkerne 206 in dem Polymer-Lichtwellenleiter 702 beinhaltet. In Block 1006 werden senkrecht zur Länge der Lichtwellenleiter 704 Spiegel 706 in der Polymer-Lichtwellenleiterstruktur 702 gebildet. Dies kann z. B. unter Verwendung einer Trennscheibe mit einem Winkel von 45 Grad erfolgen, um einen Spiegel mit Totalreflexion zu erzeugen. In Block 1008 werden oberhalb der Spiegel 706 Linsen-Arrays 708 angebracht.
In Block 1010 wird der oben beschriebene Chip-Träger 802 hergestellt, indem Löcher 804 aufeinander ausgerichtet und so dimensioniert werden, dass sie die Linsen-Arrays 708 und die elektrischen Kontakte 806 und Durchgangskontakte 808 aufnehmen. In Block 1012 wird der Chip-Träger 802 auf der Lichtwellenleiterschicht 802 angebracht, wobei die entsprechenden Kontakte 806 und die Durchgangskontakte 808 für elektrische Verbindung sorgen.
Nach der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen optischer Komponenten für das Wellenlängenmultiplexen mit hochdichten optischen Verbindungsmodulen (die nur der Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind) wird darauf hingewiesen, das ein Fachmann angesichts der obigen Lehren Modifikationen daran vornehmen und Varianten entwerfen kann. Deshalb ist klar, dass an den einzelnen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen, der in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Wellenlängen-Multiplexeinheit (WDM device), die aufweist: einen Lichtwellenleiter; eine oberhalb eines in einem Strahlengang des Lichtwellenleiters gebildeten Spiegels angeordnete Kopplungslinse, wobei der Spiegel aus dem Strahlengang ankommende Signale zur Linse hin reflektiert und weiterhin von der Linse kommende Signale in den Strahlengang reflektiert; und einen nahe einem Brennpunkt der Linse angeordneten Optik-Chip, der ein optisches Filter zum Durchlassen eines Lichtsignals mit einer ersten Wellenlänge und zum Reflektieren empfangener Lichtsignale mit von der ersten Wellenlänge abweichenden Wellenlängen aufweist.
WDM-Einheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem optischen Filter um ein Bragg-Filter handelt, das dielektrische Wechselschichten aufweist.
WDM-Einheit nach Anspruch 2, wobei das Bragg-Filter Wechselschichten aus Siliciumdioxid und Titandioxid aufweist.
WDM-Einheit nach Anspruch 2, wobei das Bragg-Filter neun Perioden von Wechselschichten hat.
WDM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Spiegel um eine Nut in dem Lichtwellenleiter handelt, die ankommende und abgehende Signale durch Totalreflexion reflektiert.
WDM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse eine Richtung der ankommenden Signale zum optischen Filter hin ändert.
WDM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Linse um eine axialsymmetrische Linse handelt, um eine möglichst geringe Dispersion und eine möglichst große Justiertoleranz zu erreichen.
WDM-Einheit nach Anspruch 1, wobei der Spiegel einen von 45 Grad abweichenden Winkel hat.
Wellenlängen-Multiplexsystem (WDM system), das aufweist: eine Mehrzahl WDM-Einheiten, wobei jede Einheit aufweist: einen Lichtwellenleiter; eine oberhalb eines in einem Strahlengang des Lichtwellenleiters gebildeten Spiegels angeordnete Kopplungslinse, wobei der Spiegel aus dem Strahlengang ankommende Signale zur Linse hin reflektiert und weiterhin von der Linse kommende Signale in den Strahlengang reflektiert; und einen nahe einem Brennpunkt der Linse angeordneten Optik-Chip, der ein optisches Filter zum Durchlassen eines Lichtsignals mit einer bestimmten Wellenlänge und zum Reflektieren empfangener Lichtsignale mit von der bestimmten Wellenlänge abweichenden Wellenlängen aufweist.
Verfahren zum Bilden einer Wellenlängen-Multiplexeinheit, wobei das Verfahren aufweist: Bilden eines Spiegels in einem Strahlengang eines Lichtwellenleiters; Anbringen einer Linse an dem Lichtwellenleiter oberhalb des Spiegels; Bilden eines Filters auf einem Optik-Chip-Array, wobei das Filter eine Mehrzahl dielektrischer Wechselschichten aufweist, wobei das Filter zum Durchlassen eines empfangenen Signals mit einer ersten Wellenlänge und zum Reflektieren empfangener Signale mit von der ersten Wellenlänge abweichenden Wellenlängen konfiguriert ist; und Anordnen des Optik-Chip-Arrays nahe einem Brennpunkt der Linse.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bilden des Spiegels aufweist: Herstellen einer Nut in dem Lichtwellenleiter mit einem Flächenwinkel zum Bereitstellen von Totalreflexion von Signalen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei das Bilden des Filters aufweist: Aufdampfen von Wechselschichten aus Siliciumdioxid und Titandioxid auf einen aktiven Bereich des Optik-Chip-Arrays.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, das ferner aufweist: Anordnen eines Chip-Trägers auf dem Lichtwellenleiter, wobei der Chip-Träger ein der Linse entsprechendes Loch hat und das Anbringen des Optik-Chip-Arrays auf dem Chip-Träger oberhalb der Linse mittels der Flip-Chip-Technologie erfolgt.