DE10248969A1

DE10248969A1 - Verfahren zum Herstellen einer optischen Anordnung

Info

Publication number: DE10248969A1
Application number: DE10248969A
Authority: DE
Inventors: Ingo Dr. Baumann; Detlef Dr. Krabe; Manfred Scheubeck; Andreas Dr. Schumacher
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: CN1508582A; DE10248969B4; CN1508582B; US7371016B2; US20050053327A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Anordnung (10, 300), bei dem ein optisches Bauelement (355, 20) mit mindestens einem auf oder in einem Trägersubstrat (100, 310) angebrachten Wellenleiter (90, 320, 330) in optische Verbindung gebracht wird. DOLLAR A Um zu erreichen, dass ein optisches Bauelement an einen optischen Wellenleiter eines Trägersubstrats besonders einfach und damit kostengünstig angeschlossen werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) eine Justageeinrichtung (40, 350) mit mindestens einem Hilfswellenleiter (60, 410, 440) angeordnet wird, dessen Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) jeweils beweglich sind und eine optische Justage zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) des Trägersubstrats (100, 310) durch eine mechanische Justage der beweglichen Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der optischen Nachrichtenübertragungstechnik werden zunehmend komplexere Bauteile geschaffen, die mehrere optische und opto-elektrische Funtionen in einer gemeinsamen optischen Anordnung, insbesondere auf einer gemeinsamen Plattform bzw. einem gemeinsamen Substrat, vereinigen. Beispiele für solche Funktionen bzw. Funktionselemente sind optische Filter, Schalter, Abschwächer, Sender, Verstärker oder Empfänger. Als Plattform werden verstärkt Träger mit kombinierten mechanischen, optischen, elektrischen und auch thermischen Funktionalitäten eingesetzt. Beispiele dafür sind „Electrical Optical Circuit Boards" (EOCB), die meistens für Multimodenapplikation eingesetzt werden, oder sogenannte „Planar Lightwave Circuits" (PLC), also sogenannte planare optische Schaltkreise, die für Multi- oder Singlemode-Applikationen Verwendung finden.
Auf diesem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragungstechnik liegt beispielsweise der Lichtwellen-Schaltkreis gemäß der europäischen Offenlegungsschrift EP 1 085 354 A1 . Hergestellt wird dieser Lichtwellen-Schaltkreis nach einem Verfahren, das alle Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist. So wird bei diesem vorbekannten Verfahren ein Photodetektor als optisches Bauelement auf ein Trägersubstrat aufgesetzt, und zwar derart, dass der Photodetektor in einer optischen Verbindung steht zu einem in bzw. auf dem Trägersubstrat angebrachten Wellenleiter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein optisches Bauelement an einen optischen Wellenleiter eines Trägersubstrat besonders einfach und damit kostengünstig angeschlossen werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist vorgesehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen dem optischen Bauelement und dem Wellenleiter zusätzlich eine Justageeinrichtung mit mindestens einem Hilfswellenleiter angeordnet wird. Die Wellenleiterenden des Hilfswellenleiters sollen dabei beweglich sein, damit eine Justage der optischen Verbindung zwischen dem optischen Bauelement und dem Wellenleiter des Trägersubstrats nach der Montage des optischen Bauelements noch möglich ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei der Montage des optischen Bauelements keine besonders hohen Anforderungen an die Justage- bzw. Montagegenauigkeit gestellt werden müssen; denn selbst nach der Montage des optischen Bauelementes auf dem Trägersubstrat, beispielsweise einer „Plattform", ist eine Justage der optischen Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Wellenleiter des Trägersubstrats noch möglich, indem nämlich der Hilfswellenleiter der Justageeinrichtung entsprechend eingestellt bzw. verstellt wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass es sehr einfach und damit kostengünstig durchführbar ist. So können nämlich für die Montage des optischen Bauelements die heutzutage üblichen Bestückungsautomaten („pick and place"-Maschinen), wie sie in der Halbleiterindustrie verwendet werden, eingesetzt werden. Diese Bestückungsautomaten weisen üblicherweise Fertigungstoleranzen, d. h. also Montagetoleranzen auf, die in der Größenordnung zwischen 5 bis 10 μm liegen. Montagetoleranzen in dieser Größe sind bekanntermaßen bei nachrichtenoptischen Anwendungen vor allem in Single-Mode-Applikationen völlig inakzeptabel, da eine optische Kopplung bzw. optische Verbindung zwischen verschiedenen Komponenten bei derart großen Toleranzen schlecht, d. h. mit unnötigen Dämpfungen oder gar nicht mehr möglich ist. Montagetoleranzen dürfen bei Single-Mode-Applikationen einen Grenzwert von ca. 1 μm nicht überschreiten, wenn verlustarme optische Verbindungen erreicht werden sollen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung konkret an: So wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optischen Kopplung eines optischen Bauelements mit einem Wellenleiter eines Trägersubstrats zwar eine zusätzliche Komponente in Kauf genommen, die mit zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Herstellungsaufwand verbunden ist; jedoch ermöglicht diese zusätzliche Justageeinrichtung den Einsatz der bisher üblichen Bestückungsautomaten. Zusätzliche teure und aufwendige Justageeinrichtungen, wie sie zu einem mikrometergenauen Montieren optischer Bauelemente auf einem Trägersubstrat erforderlich wären, sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich. Auch passive Justageelemente wie beispielsweise präzise mikromechanische Anschläge, wie sie bei Montagegenauigkeiten im Mikrometerbereich ebenfalls bekannt und üblich sind, sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich; die hochpräzisen Strukturierungsprozesse zur Herstellung derartiger Justageelemente, beispielsweise der genannten präzisen mikromechanischen Anschläge, entfallen daher ebenfalls.
Ein dritter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei diesem eine optische Nachjustage zwischen dem optischen Bauelement und dem Wellenleiter des Trägersubstrats stets möglich bleibt, da die Justageeinrichtung auch nach der Montage des optischen Bauelements eine Nachjustage ermöglicht. Zusammengefasst lässt sich also sagen, dass der Kern der Erfindung darin besteht, dass durch das zusätzliche Vorsehen einer Justageeinrichtung mit beweglichen Wellenleiterenden der Einsatz der aus der Halbleitertechnik bekannten Bestückungsautomaten mit relativ großer Montageungenauigkeit (bis zu ca. 10 μm Ungenauigkeit) möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass mit diesem ein optisches Bauelement auf einem elektrisch-optischen Trägersystem, beispielsweise einem elektrisch-optischen Motherboard, als Trägersubstrat montiert wird. Bei dem elektrisch-optischen Trägersystem kann es sich beispielsweise um ein Electrical Optical Circuit Board oder einen Planar Lightwave Circuit handeln. Wie bereits oben beschrieben, weisen EOCBs und PLCs sehr viele Funktionen und damit auch Funktionselemente wie z. B. optische Filter, Schalter, Abschwächer, Sender, Verstärker oder Empfänger auf. Um bei der Herstellung derartiger „Boards" bzw. optischer Leiterplatten eine aufwendige Justage zu vermeiden, wird der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei diesen Boards bzw. Leiterplatten als vorteilhaft angesehen.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich die Justageeinrichtung herstellen, wenn sie durch ein Hilfssubstrat gebildet wird, in dem bzw. auf dem der mindestens eine Hilfswellenleiter mit seinen beweglichen Wellenleiterenden vorgesehen wird. Substrate mit darin bzw. darauf befindlichen Wellenleitern mit beweglichen Wellenleiterenden sind beispielsweise aus dem Artikel „GaAS-based microelectromechanical waveguide switch", Olga Blum Spahn, Charles Sullivan, Jeff Burkhart, Chris Tigges, Ernie Garcia, Sandia National Laboratories, Albuquerque, USA, 2000 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS, Sheraton Kauai, Resort, Kauai, Hawaii, 21–24 August 2000, TuA5, Seite 41 und 42" bekannt. Bei einer Integration des mindestens einen Hilfswellenleiters in oder auf einem Hilfssubstrat lässt sich nämlich gewährleisten, dass bei der Herstellung der Justageeinrichtung auf die üblichen Fertigungstechniken aus der Mikroelektronik bzw. aus der integrierten Optik zurückgegriffen werden kann.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich die aus dem optischen Bauelement, dem Trägersubstrat und der Justageeinrichtung bestehende Anordnung montieren, indem das optische Bauelement zunächst auf der Justageeinrichtung montiert wird und die mit dem optischen Bauelement versehene Justageeinrichtung anschließend mit dem Trägersubstrat verbunden wird.
Um zu erreichen, dass die hergestellte optische Anordnung besonders platzsparend ist, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Justageeinrichtung mit dem darauf montierten optischen Bauelement in eine Vertiefung an der Oberfläche des Trägersubstrats eingesetzt wird.
Vorteilhaft sollte diese Vertiefung derart bemessen sein, dass die Wellenleiter der Justageeinrichtung und die des Trägersubstrats in einer Ebene liegen. Vorteilhaft können die Justageeinrichtung und das Trägersubstrat eine gemeinsame planare Oberfläche bilden. Bei der Anordnung der Komponenten bzw. der „räumlichen" Integration kann auf die bekannte „Embedding Technique" zurückgegriffen werden.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt es sich erreichen, dass die Justageeinrichtung und das Trägersubstrat in einer Ebene liegen, indem Befestigungselemente an der Justageeinrichtung und/oder am Trägersubstrat gebildet werden, mit denen die Justageeinrichtung in der Vertiefung des Trägersubstrats eingehängt wird.
Als vorteilhaft wird es außerdem angesehen, wenn die Befestigungselemente gleichzeitig zur Kontaktierung zwischen dem Trägersubstrat und der Justageeinrichtung verwendet werden, da dann zusätzliche elektrische Kontakte eingespart werden. Mittelbar wird damit auch die Kontaktierung zwischen dem Trägersubstrat und dem optischen Bauelement vereinfacht.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Justageeinrichtung und das Trägersubstrat auf einem separaten Träger montiert werden. Eine solche separate Anordnung von Trägersubstrat und Justageeinrichtung ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn auf dem separaten Träger noch weitere Komponenten angebracht werden sollen.
In aller Regel wird es sich nicht vermeiden lassen, dass Fugen bzw. Hohlräume zwischen dem optischen Bauelement, dem Trägersubstrat und der Justageeinrichtung nach der Montage noch vorhanden sind. Es wird daher als vorteilhaft angesehen, wenn diese Hohlräume mit einer Verbundmasse ausgefüllt werden. Vorzugsweise sollte diese Verbundmasse derart beschaffen sein, dass ihre Brechzahl an die Brechzahl der Justageeinrichtung, des Trägersubstrats, der Wellenleiter im Trägersubstrat und/oder des optischen Bauelements angepasst ist, um optische Reflexionen zu vermeiden. Die Verbundmasse kann insbesondere einen mittleren Brechzahlindex aufweisen, um eine optimale Anpassung zu erreichen.
Besonders platzsparend und damit vorteilhaft lässt sich die Justageeinrichtung ausbilden, indem der mindestens eine Wellenleiter in der Justageeinrichtung integriert wird, und zwar derart, dass seine Wellenleiterenden mittels elektrostatischer, magnetischer, thermischer, piezoelektrischer und/oder thermomechanischer Kräfte auslenkbar und justierbar sind.
Eine besonders verlustarme Ankopplung zwischen dem optischen Bauelement und dem Hilfswellenleiter bzw. dem Hilfswellenleiter und dem Wellenleiter des Trägersubstrats lässt sich dann erreichen, wenn eine Justage „zweidimensional" möglich ist. Dies lässt sich konkret dann erreichen, wenn die Enden des Hilfswellenleiters jeweils in der Fläche senkrecht zur Längsrichtung des Hilfswellenleiters und damit senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts im Hilfswellenleiter – also zweidimensional – beweglich sind. Alternativ oder auch zusätzlich können die Enden des Hilfswellenleiters entlang einer Rotationsachse senkrecht zur Längsachse des Hilfswellenleiters – also sozusagen waagerecht – beweglich sein.
Nicht immer ist es das Ziel, eine möglichst verlustfreie Verbindung zwischen einem optischen Bauelement und dem Wellenleiter des Trägersubstrates herzustellen; so ist manchmal ein vorgegebener Dämpfungsbetrag für die optische Verbindung gewünscht. Um eine solche Dämpfung zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Hilfswellenleiter gezielt missjustiert wird, um die vorgegebene Dämpfung zwischen dem optischen Element und dem Wellenleiter des Trägersubstrats zu erreichen.
Als vorteilhaft wird es darüber hinaus angesehen, wenn optische Bauelemente montiert werden, die einen optischen Eingang und einen optischen Ausgang aufweisen. Zu solchen optischen Bauelementen gehören beispielsweise Halbleiterlaser und optische Halbleiterverstärker (SOA: Semiconductor optical amplifier). Um diese Bauelemente besonders einfach und damit vorteilhaft montieren zu können, werden vorteilhaft in der Justageeinrichtung mindestens zwei justierbare Hilfswellenleiter vorgesehen, die jeweils mit dem optischen Bauelement und dem Trägersubstrat in optische Verbindung gebracht werden. Vorteilhaft ist es also; wenn seitens der Justageeinrichtung eine entsprechende Anzahl an Hilfswellenleitern zur Justage vorgesehen wird.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich eine optische Anordnung bilden, wenn als Trägersubstrat ein Glas- oder Siliziumsubstrat verwendet wird, da in einem solchen Fall auf die bekannte Wellenleitertechnik – z. B. auf der Basis von Glaswellenleitern – zurückgegriffen werden kann. Selbstverständlich können auf Glas- bzw. Siliziumsubstraten auch andere Wellenleiter wie beispielsweise Polymerwellenleiter oder SOI-Wellenleiter (SOI: silicon on insulator) gebildet werden.
Um zu erreichen, dass möglichst geringe optische Verluste zwischen dem Hilfswellenleiter und dem optischen Bauelement bzw. zwischen dem Hilfswellenleiter und dem Wellenleiter des Trägersubstrats auftreten, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Hilfswellenleiter derart hergestellt wird, dass sein Modenfeld an das des Wellenleiters des Trägersubstrats und/oder an das des optischen Bauelements angepasst ist.
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn Halteelemente vorgesehen werden, die nach einer erfolgten Justage der Wellenleiterenden der Justageeinrichtung die Wellenleiterenden in der justierten Position fixieren. Die Haltelemente können beispielsweise mechanische Rastelemente sein und/oder auch Elemente sein, die ausschließlich auf bestehender Haftreibung beruhen. Ein wesentlicher Vorteil derartiger Halteelemente besteht darin, dass die Justageeinrichtung nach einer erfolgten Justage der Wellenleiterenden nicht mehr beispielsweise elektrisch angesteuert werden muss, um die Justage aufrechtzuerhalten, weil nämlich die Position der Wellenleiterenden fixiert bleibt.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine optische Anordnung mit einem optischen Bauelement, das mit einem Trägersubstrat mit mindestens einem optischen Wellenleiter in Verbindung steht.
Eine solche optische Anordnung lässt sich beispielsweise der eingangs angegebenen europäischen Patentanmeldung entnehmen.
Der Erfindung liegt bezüglich einer solchen optischen Anordnung die Aufgabe zugrunde, diese derart zu verbessern, dass sie sich besonders einfach und damit kostengünstig herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer optischen Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung sind in Unteransprüchen beschrieben.
Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung und der Vorteile der vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung wird auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Zur Erläuterung der Erfindung zeigen
1 – ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und zwar in der Seitenansicht,
2 – das Ausführungsbeispiel gemäß 1 in der Draufsicht,
3 – ein Ausführungsbeispiel für eine Justageeinrichtung für das Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 und für das Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5
4 – ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße optische Anordnung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und zwar in der Seitenansicht, und
5 – das Ausführungsbeispiel gemäß 4 in der Draufsicht.
Die 1 zeigt eine optische Anordnung 10 mit einem optischen Bauelement 20, das einen optischen Anschluss 30 aufweist. Das optische Bauelement 20 ist auf einem Hilfssubstrat 40 montiert, und zwar derart, dass der Anschluss 30 des optischen Bauelements 20 einem Wellenleiterende 50 eines Hilfswellenleiters 60 des Hilfssubstrats 40 gegenüberliegt.
Der Hilfswellenleiter 60 weist ein zweites Wellenleiterende 70 auf, das einem Wellenleiterende 80 eines Wellenleiters 90 gegenüberliegt. Dieser Wellenleiter 90 ist in einem Trägersubstrat 100 integriert.
Das Hilfssubstrat 40 und das Trägersubstrat 100 sind dabei auf einem separaten Träger 110 montiert.
Bei dem optischen Bauelement 20 kann es sich beispielsweise um ein optisches Sendeelement wie einen Laser oder eine Leuchtdiode oder auch um ein optisches Empfangselement wie eine Photodiode handeln.
Das Hilfssubstrat 40 kann beispielsweise ein Glassubstrat oder ein Siliziumsubstrat sein, in dem bzw. auf dem optische Wellenleiter als Hilfswellenleiter 60 integriert sind. Der Hilfswellenleiter 60 kann beispielsweise ein Glaswellenleiter oder ein Polymerwellenleiter oder dergleichen sein.
Die 2 zeigt das Hilfssubstrat 40 mit dem optischen Bauelement 20 in der Draufsicht. Man erkennt neben dem optischen Bauelement 20 und dem Hilfswellenleiter 60 ein weiteres optisches Bauelement 20', das einem weiteren Hilfswellenleiter 60' zugeordnet ist. Die 2 deutet also somit an, dass auf dem Hilfssubstrat 40 nicht nur ein optisches Bauelement 20, sondern zwei oder beliebig viele andere optische Bauelemente befestigt sein können. In entsprechender Weise können auf dem Trägersubstrat 100 gemäß der 1 entsprechende Wellenleiterenden 80 und Wellenleiter 90 vorgesehen sein, die die entsprechenden optischen Anschlüsse für diese optischen Bauelemente 20, 20' usw. bereitstellen.
Die optische Anordnung 10 gemäß den 1 und 2 wird dabei vorzugsweise nach folgendem Verfahren hergestellt. Zuerst wird das optische Bauelement 20 auf dem Hilfssubstrat 40 montiert. Für diese Montage kann ein Standard-Bestückungsautomat verwendet werden, da Justagetoleranzen von 5 bis 10 μm akzeptiert werden können. Liegt nämlich der Anschluss 30 des optischen Bauelements 20 nicht exakt dem einen Ende 50 des Hilfswellenleiters 60 gegenüber, so kann in einem nachfolgenden Justageschritt das eine Ende 50 des Hilfswellenleiters 60 ausgelenkt werden. Dieses Auslenken wird dabei derart durchgeführt, dass eine möglichst optimale Ankopplung zwischen dem optischen Bauelement 20 und dem Hilfswellenleiter 60 des Hilfssubstrats 40 erreicht wird.
Nachdem nun das optische Bauelement 20 auf dem Hilfssubstrat befestigt worden ist, wird das Hilfssubstrat 40 auf dem separaten Träger 110 befestigt. Außerdem wird das Trägersubstrat 100 auf dem separaten Träger 110 montiert. Für die Montage des Hilfssubstrats 40 und des Trägersubstrats 100 kann wiederum ein Standard-Bestückungsautomat verwendet werden, da wiederum Montagegenauigkeiten in der Größenordnung zwischen 5 bis 10 μm ausreichend sind. Sollte nämlich das Wellenleiterende 80 des Wellenleiters 90 des Trägersubstrats 100 nicht exakt dem zweiten Wellenleiterende 70 des Hilfswellenleiters 60 gegenüberliegen, so kann in einem nachfolgenden Justageschritt das zweite Wellenleiterende 70 von seiner Position her nachjustiert werden, weil nämlich das zweite Wellenleiterende 70 – ebenso wie das eine Wellenleiterende 50 – des Hilfswellenleiters 60 beweglich ausgeführt ist. Das zweite Wellenleiterende 70 wird also so lange bewegt und justiert, bis eine optimale Ankopplung zwischen dem Hilfswellenleiter 60 und dem Wellenleiter 90 des Trägersubstrats 100 erreicht ist.
Zusammengefasst wird bei der optischen Anordnung gemäß den 1 und 2 die optische Verbindung zwischen dem optischen Bauelement 20 und dem Wellenleiter 90 des Trägersubstrats 100 erst nach der Montage der Elemente justiert, indem nämlich die beiden Wellenleiterenden 50 und 70 des Hilfswellenleiters 60 des Hilfssubstrats 40 solange nachjustiert werden, bis eine ideale optische Ankopplung zu dem optischen Bauelement 20 einerseits und dem Wellenleiter 90 des Trägersubstrats 100 andererseits erreicht ist.
Eine Auslenkung der beiden Wellenleiterenden 50 und 70 lässt sich dabei erreichen, wenn die beiden Wellenleiterenden 50 und 70 „frei liegen". Wie dieses „Freiliegen" der beiden Wellenleiterenden 50 und 70 erreicht werden kann, zeigt die 3 im Detail.
So erkennt man in der 3 das Wellenleiterende 50 des Hilfswellenleiters 60 im Querschnitt. Das Wellenleiterende 50 liegt frei und weist keine mechanische Verbindung in lateraler oder vertikaler Richtung zu dem Hilfssubstrat 40 auf .
Auf dem Hilfswellenleiter 60 ist im Bereich des Wellenleiterendes 50 ein elektrischer Kontakt 200 aufgebracht, der mit weiteren elektrischen Kontakten 210 auf dem Hilfssubstrat 40 in Verbindung steht. Wird nun eine elektrische Spannung zwischen dem Anschluss 200 und einem der beiden Anschlüsse 210 angelegt, so kommt es aufgrund der sich ausbildenden elektrostatischen Kräfte zu einer lateralen Auslenkung des Wellenleiterendes 50. Dies ist in der 3 durch einen Doppelpfeil 220 angedeutet. Die ausgelenkte Position des Wellenleiterendes 50 ist durch das Bezugszeichen 230 gekennzeichnet.
Durch ein Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Anschlüsse 200 und 210 lässt sich also eine Justage des Wellenleiterendes 50 relativ zu dem Anschluss 30 des optischen Bauelements 20 erreichen.
In entsprechender Weise kann auch das zweite Wellenleiterende 70 des Hilfswellenleiters 60 ausgelenkt werden, um die optische Ankopplung mit dem Wellenleiter 90 des Trägersubstrats 100 zu erreichen.
Im Übrigen können über und/oder unter den beiden Wellenleiterenden 50 und 70 des Hilfswellenleiters 60 weitere elektrische Anschlüsse vorgesehen sein, mit denen eine vertikale Justage der Wellenleiterenden möglich ist. Die ist in der 3 durch das Bezugszeichen 240 angedeutet, das eine vertikal ausgelenkte Position des Wellenleiterendes 50 kennzeichnet.
Die Justageeinrichtung gemäß der 3 kann beispielsweise in einem Silizium- oder Glassubstrat gebildet sein.
Im Übrigen muss das optische Bauelement 20 nicht auf dem Hilfssubstrat 40 befestigt werden; stattdessen können das optische Bauelement 20, das Hilfssubstrat 40 und das Trägersubstrat auch nebeneinander auf dem separaten Träger 110 angeordnet sein.
Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine optische Anordnung gemäß der Erfindung. Diese optische Anordnung trägt in der 4 das Bezugszeichen 300. Die optische Anordnung 300 weist ein Trägersubstrat 310 mit einem ersten Wellenleiter 320 und einem zweiten Wellenleiter 330 auf. In dem Trägersubstrat 310 ist eine Vertiefung 340 vorgesehen, in die eine durch ein Hilfssubstrat 350 gebildete Justageeinrichtung eingesetzt ist. Die Verbindung zwischen dem Hilfssubstrat 350 und dem Trägersubstrat 310 wird durch Justage-Bumps 360 als Befestigungselemente gewährleistet.
An dem Hilfssubstrat 350 ist ein optisches Bauelement 355 montiert. Bei diesem optischen Bauelement 355 handelt es sich um einen Laserverstärker mit zwei Anschlüssen 370 und 380.
Der eine Anschluss 370 steht mit einem ersten Wellenleiterende 400 eines ersten Hilfswellenleiters 410 in optischer Verbindung. Der erste Hilfswellenleiter 410 weist ein zweites Wellenleiterende 420 auf, das mit dem ersten Wellenleiter 320 des Trägersubstrats 310 optisch verbunden ist.
Der zweite Anschluss 380 des optischen Bauelements 355 liegt einem ersten Wellenleiterende 430 eines zweiten Hilfswellenleiters 440 gegenüber. Das zweite Wellenleiterende 450 des zweiten Hilfswellenleiters 440 ist wiederum derart angeordnet, dass es in optischer Verbindung zum zweiten Wellenleiter 330 des Trägersubstrat 310 steht.
Die 5 zeigt das Hilfssubstrat 350 gemäß der 4 in der Draufsicht. Man erkennt, dass es neben dem ersten Hilfswellenleiter 410 und dem zweiten Hilfswellenleiter 440 noch weitere Hilfswellenleiter gibt, und zwar einen dritten Hilfswellenleiter 460 und einen vierten Hilfswellenleiter 470. Der dritte Hilfswellenleiter 460 sowie der vierte Hilfswellenleiter 470 dienen zum Anschluss eines weiteren optischen Bauelements 480, bei dem es sich beispielsweise ebenfalls um einen Laserverstärker handeln kann.
Im Übrigen erkennt man in der 5 die Befestigungs-Bumps 360 zur Befestigung des Hilfssubstrats 350 auf dem Trägersubstrat 310.
Bei dem Trägersubstrat 310 kann es sich beispielsweise um ein elektrisch-optisches Trägersystem, beispielsweise ein elektrisch-optisches Motherboard, handeln. Das Trägersubstrat kann konkret beispielsweise ein „Electrical Optical Circuit Board" (EOCB) oder ein „Planar Lightwave Circuit" (PLC) sein. Die optische Anordnung gemäß den 4 und 5 wird vorteilhaft wie folgt hergestellt:
Zunächst wird das optische Bauelement 355 auf dem Hilfssubstrat 350 montiert. Bei dieser Justage spielt die Justagegenauigkeit keine große Rolle, so dass Toleranzen von 5 bis 10 μm akzeptabel sind. Somit lässt sich das optische Bauelement 355 – ebenso wie das weitere optische Bauelement 480 – unter Verwendung der in der Halbleitertechnik üblichen Bestückungsautomaten auf dem Hilfssubstrat 350 montieren.
Nach der Montage des optischen Bauelements 355 bzw. des weiteren optischen Bauelements 480 auf dem Hilfssubstrat 350 wird das vormontierte Hilfssubstrat 350 in die Vertiefung 340 des Trägersubstrats 310 eingesetzt. Auch diese Montage kann mit gewissen Toleranzen behaftet sein, so dass wiederum übliche Bestückungsautomaten aus der Halbleiterindustrie Einsatz finden können.
Sobald das Hilfssubstrat 350 auf dem Trägersubstrat 310 montiert ist, werden die Wellenleiterenden 400 und 420 des ersten Hilfswellenleiters 410 sowie die beiden Wellenleiterenden 430 und 450 des zweiten Hilfswellenleiters 440 derart ausgerichtet, dass eine optimale optische Verbindung zwischen dem optischen Bauelement 355 und den beiden Wellenleitern 320 und 330 des Trägersubstrats 310 erreicht ist.
Wie bereits oben erwähnt, kann es sich bei dem Trägersubstrat 310 gemäß den 4 und 5 bzw. bei dem Trägersubstrat 100 gemäß den 1 und 2 um ein sogenannter PLC (Planar Lightwave Circuit) oder ein EOCB (Electrical Optical Circuit Board) handeln. EOCBs sind vorzugsweise für Multimodeapplikationen zu verwenden, wohingegen PLCs für Multi- oder Singlemodeapplikationen eingesetzt werden können.
Im Falle von PLCs können auf dem Trägersubstratmaterial (z. B. Glas oder Silizium) eine oder mehrere funktionale Schichten (z. B. aus Glas, Silizium, Polymeren, Metallen oder einer beliebigen Kombination dieser Materialien) abgeschieden und durch verschiedene Technologien strukturiert werden, um die Wellenleiter 320, 330 in dem Trägersubstrat 310 zu bilden.
Außerdem können manche Funktionen (z. B. Filter) direkt durch geeignete Strukturierung der EOCB- oder PLC-Plattform 310 bzw. 100 realisiert werden. Andere Funktionen bzw. funktionale Einheiten werden dann – wie im Zusammenhang mit den 1 bis 5 erläutert – durch eine Montage der entsprechenden Bauelemente auf der EOCB- oder PLC-Plattform 310 bzw. 100 in der beschriebenen Weise justiert.

10: optische Anordnung
20: optisches Bauelement
30: Anschluss des optischen Bauelements
40: Hilfssubstrat
50: erstes Wellenleiterende
60: Hilfswellenleiter
70: zweites Wellenleiterende
80: Wellenleiterende
90: Wellenleiter
100: Trägersubstrat
110: separater Träger
200: elektrischer Kontakt
210: elektrischer Kontakt
220: Pfeil (Bewegungsrichtung)
230: Wellenleiter in lateral ausgelenkter Position
240: Wellenleiter in vertikal ausgelenkter Position
300: optische Anordnung
310: Trägersubstrat
320: erster Wellenleiter
330: zweiter Wellenleiter
340: Vertiefung
350: Hilfssubstrat
355: optisches Bauelement
360: Befestigungsbumps
370: erster Anschluss
380: zweiter Anschluss
400: erstes Wellenleiterende
410: erster Hilfswellenleiter
420: zweites Wellenleiterende
430: erstes Wellenleiterende
440: zweiter Hilfswellenleiter
450: zweites Wellenleiterende
460: dritter Hilfswellenleiter
470: vierter Hilfswellenleiter
480: weiteres optisches Bauelement

Claims

Verfahren zum Herstellen einer optischen Anordnung (10, 300), bei dem ein optisches Bauelement (355, 20) mit mindestens einem auf oder in einem Trägersubstrat (100, 310) angebrachten Wellenleiter (90, 320, 330) in optische Verbindung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) eine Justageeinrichtung (40, 350) mit mindestens einem Hilfswellenleiter (60, 410, 440) angeordnet wird, dessen Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) jeweils beweglich sind und eine optische Justage zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) des Trägersubstrats (100, 310) durch eine mechanische Justage der beweglichen Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (20, 355) mit einem elektrisch-optischen Trägersystem, beispielsweise einem elektrisch-optischen Motherboard, einem Electrical Optical Circuit Board oder einem Planar Lightwave Circuit, als Trägersubstrat (100, 310) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Justageeinrichtung (40, 350) durch ein Hilfssubstrat gebildet wird, auf dem oder in dem der mindestens eine Hilfswellenleiter (60, 410, 440) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (20, 355) zunächst auf der Justageeinrichtung (40, 350) montiert wird und die mit dem optischen Bauelement (20, 355) versehene Justageeinrichtung (40, 350) mit dem Trägersubstrat (100, 310) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Justageeinrichtung (40, 350) in eine Vertiefung (340) an der Oberfläche des Trägersubstrats (100, 310) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (340) derart bemessen wird, dass die Wellenleiter der Justageeinrichtung (40, 350) und die des Trägersubstrats (100, 310) in einer Ebene liegen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Befestigungselemente (360) an der Justageeinrichtung (40, 350) und/oder am Trägersubstrat (300, 310) hergestellt werden, mit denen die Justageeinrichtung (40, 355) in der Vertiefung (340) des Trägersubstrats (310) eingesetzt, insbesondere eingehängt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (360) gleichzeitig zur Kontaktierung zwischen dem Trägersubstrat (300, 310) und der Justageeinrichtung (40, 355) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Justageeinrichtung (40, 350) und das Trägersubstrat (100, 310) auf einem separaten Träger (110) montiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswellenleiter (60, 410, 440) in der Justageeinrichtung (40, 350) integriert wird, und zwar derart, dass seine Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) mittels elektrostatischer, magnetischer, thermischer, piezoelektrischer und/oder thermomechanischer Kräfte auslenkbar und justierbar sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) des mindestens einen Hilfswellenleiters (60, 410, 440) derart gebildet werden, dass sie in der Fläche senkrecht zur Längsrichtung des Hilfswellenleiters (60, 410, 440) – also zweidimensional – und/oder entlang einer Rotationsachse senkrecht zur Längsrichtung des Hilfswellenleiters beweglich sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswellenleiter (60, 410, 440) gezielt missjustiert wird, um eine vorgegebene Dämpfung zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) des Trägersubstrats (100, 310) zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlräume und/oder Abstandsbereiche zwischen der Justageeinrichtung (40, 350) und dem Trägersubstrat (100, 310) und/oder dem optischen Bauelement (20, 355) mit einer Verbundmasse aufgefüllt werden, insbesondere einer solchen Verbundmasse, deren Brechzahl an die Justageeinrichtung (40, 350), das Trägersubstrat (100, 310) und/oder an das optische Bauelement (20, 355) angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Bauelemente (355, 480), insbesondere optische Halbleiterlaser und/oder Halbleiterverstärker, montiert werden, die einen optischen Eingang (370) und einen optischen Ausgang (380) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Justageeinrichtung (350) mindestens zwei justierbare Hilfswellenleiter (410, 440) vorgesehen werden, die jeweils mit dem optischen Bauelement (355) und dem Trägersubstrat (310) in optische Verbindung gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägersubstrat (310, 100) ein Glas- oder Siliziumsubstrat verwendet wird, das Glaswellenleiter und/oder Polymerwellenleiter (90, 320, 330) und/oder SOI-Wellenleiter aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modenfeld des mindestens einen Hilfswellenleiters (60, 410, 440) an das Modenfeld des Wellenleiters des Trägersubstrats (90, 320, 330) und/oder an das Modenfeld (30, 370, 380) des optischen Bauelements angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Halteelemente vorgesehen werden, die nach einer erfolgten Justage der Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) der Justageeinrichtung (40, 350) die Wellenleiterenden in der justierten Position fixieren.
Optische Anordnung (10, 300) mit mindestens einem optischen Bauelement (355, 40) und mit mindestens einem auf oder in einem Trägersubstrat (100, 310) angebrachten Wellenleiter (90, 320, 330), wobei das optischen Bauelement (355, 40) und das Trägersubstrat (100, 310) in optischer Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) eine Justageeinrichtung (40, 350) mit mindestens einem Hilfswellenleiter (60, 410, 440) angeordnet ist, dessen Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) jeweils beweglich sind und eine optische Justage zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) des Trägersubstrats (100, 310) bewirken können.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (100, 310) ein elektrisch-optisches Trägersystem, beispielsweise ein elektrisch-optisches Motherboard, ein Electrical Optical Circuit Board oder ein Planar Lightwave Circuit bildet.
Anordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Justageeinrichtung (40, 350) durch ein Hilfssubstrat gebildet ist, auf dem oder in dem der mindestens eine Hilfswellenleiter (60, 410, 440) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (20, 355) auf der Justageeinrichtung (40, 350) montiert ist, die wiederum mit dem Trägersubstrat (100, 310) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Justageeinrichtung (40, 350) in eine Vertiefung (340) an der Oberfläche des Trägersubstrats (100, 310) eingesetzt ist.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (340) derart bemessen ist, dass die Wellenleiter der Justageeinrichtung (40, 350) und die des Trägersubstrats (100, 310) in einer Ebene liegen.
Anordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass Befestigungselemente (360) an der Justageeinrichtung (40, 350) und/oder am Trägersubstrat (300, 310) vorhanden sind, mit denen die Justageeinrichtung (40, 355) in der Vertiefung (340) des Trägersubstrats (310) eingesetzt, insbesondere eingehängt ist.
Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (360) gleichzeitig zur Kontaktierung zwischen dem Trägersubstrat (300, 310) und der Justageeinrichtung (40, 355) dienen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Justageeinrichtung (40, 350) und das Trägersubstrat (100, 310) auf einem separaten Träger (110) montiert sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswellenleiter (60, 410, 440) in der Justageeinrichtung (40, 350) integriert ist, und zwar derart, dass seine Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) mittels elektrostatischer, magnetischer, thermischer, piezoelektrischer und/oder thermomechanischer Kräfte auslenkbar und justierbar sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) des mindestens einen Hilfswellenleiters (60, 410, 440) in der Fläche senkrecht zur Längsrichtung des Hilfswellenleiters (60, 410, 440) – also zweidimensional – und/oder entlang einer Rotationsachse senkrecht zur Längsrichtung des Hilfswellenleiters beweglich sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswellenleiter (60, 410, 440) missjustiert ist und eine vorgegebene Dämpfung zwischen dem optischen Bauelement (20, 355) und dem Wellenleiter (90, 320, 330) des Trägersubstrats (100, 310) gewährleistet.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlräume und/oder Abstandsbereiche zwischen der Justageeinrichtung (40, 350) und dem Trägersubstrat (100, 310) und/oder dem optischen Bauelement (20, 355) mit einer Verbundmasse aufgefüllt sind, insbesondere einer solchen Verbundmasse, deren Brechzahl an die Justageeinrichtung (40, 350), das Trägersubstrat (100, 310) und/oder an das optische Bauelement (20, 355) angepasst ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein optisches Bauelement (355, 480), insbesondere ein optischer Laserverstärker, montiert ist, das einen optischen Eingang (370) und einen optischen Ausgang (380) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass in der Justageeinrichtung (350) mindestens zwei justierbare Hilfswellenleiter (410, 440) vorgesehen sind, die jeweils mit dem optischen Bauelement (355) und dem Trägersubstrat (310) in optischer Verbindung stehen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (310, 100) ein Glas- oder Siliziumsubstrat ist, das Glaswellenleiter und/oder Polymerwellenleiter (90, 320, 330) und/oder SOI-Wellenleiter aufweist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Modenfeld des mindestens einen Hilfswellenleiters (60, 410, 440) an das Modenfeld des Wellenleiters des Trägersubstrats (90, 320, 330) und/oder an das Modenfeld (30, 370, 380) des optischen Bauelements angepasst ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass Halteelemente vorgesehen sind, die nach einer erfolgten Justage der Wellenleiterenden (50, 70, 400, 420, 430, 450) der Justageeinrichtung (40, 350) die Wellenleiterenden in der justierten Position fixieren.