DE10250074B4 - Verfahren zum Aufbau mikrooptischer Bauteile - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Positionieren und Verbinden eines optischen Bauelementes aus einem für Laserstrahlung transparenten Material an Montageflächen eines Trägerelementes mit folgenden Schritten:
a) die Montagefläche wird vor dem Verbinden des optischen Bauelementes durch chemische Aktivierung vorbehandelt, so dass sich an der Oberfläche freie Silanolgruppen bilden,
b) Bereitstellen eines optischen Bauelementes, dessen Oberfläche chemische Verbindungen enthält, die unter Wärme mit Silanolgruppen chemisch reagieren,
c) Justieren und Anpassen der Montageflächen und des optischen Bauelementes in Bezug auf die optische Achse,
d) Aneinanderlegen des optischen Bauelementes und der Montagefläche
e) Bestrahlen der Montagefläche mit Laserstrahlung durch das optische Bauelement hindurch, so dass das optische Bauelement und die Montagefläche eine chemische Verbindung miteinander eingehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren und Verbinden eines optischen Bauelements aus einem für Laserstrahlung transparenten Material an Montageflächen eines Trägerelements unter Ausrichtung der optischen Achse des optischen Bauelements zu dem Trägerelement.
  • Solche Verfahren sind allgemein bekannt und werden nachfolgend erläutert.
  • In der optischen Kommunikationstechnik bestehen die Hauptkomponenten zur Signalerzeugung, Signalverteilung und Signalweiterleitung aus Diodenlasern, optischen Verzweigern und Glasfasern. Die einzelnen Bauteile müssen dabei mit höchster Präzision zueinander positioniert werden, um Dämpfungsverluste zu minimieren. Dabei sind, je nach Anwendung, nur Positionierungenauigkeiten von < 1 μm erlaubt.
  • In 3 der beigefügten Zeichnungen ist ein typisches System von Laser, Kollimationsoptik und Glasfaser dargestellt. Die von dem Diodenlaser mit großem Divergenzwinkel emittierte Laserstrahlung wird von der Kollimationsoptik parallelisiert und anschließend in die Glasfaser fokussiert. Bei Multimode-Glasfasern liegt der lichtführende Faserkern im Durchmesserbereich von 50-100 μm, bei monomodigen Fasern jedoch bei nur 10 μm. Insbesondere hier sind hohe Positioniergenauigkeiten der einzelnen Bauteile erforderlich. Alternativ zur Faserkopplung über Kollimationsoptiken werden die Fasern direkt mit nur geringem Abstand vor den Diodenlaser montiert. Dies gilt auch für Verzweigerelemente, bei denen das Laserlicht aus einer Faser auf eine Vielzahl von Fasern aufgeteilt wird. In der Regel sind diese Verzweigerelemente auch für die Aufteilung unterschiedlicher Wellenlängenlängen verantwortlich, wie z.B. bei DWDM-Kopplern.
  • In allen diesen Fällen müssen mehrere Bauelemente mit höchster Präzision zueinander positioniert und auf einem Trägerelement fixiert werden. Dabei sollte für einen wirtschaftlichen Montageprozess der Positionier- und Fügeprozess möglichst schnell vonstatten gehen.
  • Bisher haben sich hierfür 2 alternative Verfahren durchgesetzt:
    • • Aktive Justage der Bauelemente und anschließendes Fügen
    • • Passive Justage der Bauelemente und anschließendes Fügen
  • Mit der aktiven Justage, bei der die Transmission des gesamten Strahlenganges vermessen und durch Verschieben der einzelnen Bauelemente optimiert wird, können die höchsten Transmissionsgrade erzielt werden. Das sukzessive Justieren der einzelnen Komponenten erfordert jedoch einen hohen Zeitaufwand.
  • Demgegenüber werden bei der passiven Justage die einzelnen Bauelemente in speziell vorbereitete Bauteilaufnahmen eines Trägersubstrates eingebracht. Diese Aufnahmen sind so gestaltet, dass, unter idealen Bedingungen, eine fluchtende Montage des Strahlenganges ohne weitere Justage möglich ist. Nach Einlegen der Bauteile ist lediglich ein Fügen auf dem Träger nötig.
  • In beiden Fällen werden die einzelnen Bauteile heute in der Regel mittels Klebetechnik fixiert.
  • Während im ersten Fall die Toleranzen der einzelnen Bauteile durch die aktive Justage praktisch keine Rolle spielen, das Verfahren jedoch langsam und bei großen Stückzahlen unwirtschaftlich ist, wirken sich für das zweite Verfahren bereits geringste Maßtoleranzen der Bauelemente in starken Dämpfungen aus. Dies gilt vor allem für monomodige Glasfasern mit einem Kerndurchmesser < 10 μm, bei denen der Aussendurchmesser in der Regel 125 μm beträgt und bei denen Aussendurchmessertoleranzen von 1-2 μm auftreten können. Mit solchen Toleranzen würden bei einer Montage mit passiver Justage Dämpfungswerte > 30% auftreten.
  • Die heute verwendete Klebetechnik oder Löttechnik für die einzelnen Bauteile weist zudem Schwachstellen hinsichtlich Langzeitstabilität und Prozesszeit auf. Durch die Möglichkeit des Kriechens innerhalb der Klebverbindung kann langfristig eine Verschiebung der Bauteile zueinander und damit eine Erhöhung der Einkoppeldämpfung auftreten.
  • Die US 5 389 193 A beschreibt das Anbonden einer aluminisierten, optischen Faser an Siliziumflächen unter Aufbringen von sowohl Wärme als auch Druck auf die optische Faser. Bei diesem Verfahren wird vorausgesetzt, dass eine optische Faser, die einen Glasbereich aufweist, der mit einer Aluminiumbeschichtung beschichtet ist, bereitgestellt wird. Zum Anbonden dieser aluminisierten, optischen Faser an einem Siliziumsubstrat wird, mit einem Bondwerkzeug, das durch eine Wärmequelle erwärmt wird, Druck auf die optische Faser ausgeübt, unter gleichzeitiger Wärmezufuhr. Die durch das Bondwerkzeug aufgebrachte Wärme wird, durch Wärmeleitung, zu der Zwischenfläche zwischen Faser- bzw. Aluminiumbeschichtung der Faser und den Wänden einer V-förmigen Nut des Substrats geführt. In diesem Verbindungsbereich erfolgt, aufgrund von Druck und Wärme, ein Verschmelzen der Aluminiumschicht mit dem Siliziumsubstrat.
  • Die JP 01 066609 A , mit zugehörigem Abstract, schlägt vor, zylindrische, optische Teile an einem Substrat durch Schmelzen und Verfestigen der Teile zu verbinden (siehe Abstract). Dabei wird Laserlicht von der Unterseite des Substrats zu der Fügestelle zugeführt. Aus den 4, 5 und 7 ergibt sich, dass die Laserstrahlung jeweils über ein Loch in dem Substrat zu dem Bauteil zugeführt wird.
  • Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu stellen, mit der eine hochgenaue Montage von optischen Bauelementen auf einer Montagefläche eines Trägerelementes ohne Zwischenschichten erfolgen kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen.
  • Mit diesem Verfahren werden mit der entsprechenden Prozessführung sowohl die Vorteile der passiven Justage genutzt als auch die Nachteile der Fügetechnik mit Zusatzwerkstoffen, wie Klebern und Loten, vermieden. Darüber hinaus ist mit dem neuen Verfahren ebenfalls eine Montage der optischen Bauteile mit aktiver Justage möglich.
  • Das Verfahren beruht auf einer Verbindung unter Einsatz von Laserstrahlen, bei dem durch lokales Aufheizen einer Kombination aus einem Träger mit einem darauf spaltfrei positionierten Bauteil eine Verbindung erzeugt wird. Das Aufheizen erfolgt dabei mittels eines Laserstrahls, durch das Bauteil hindurch, und durch Absorption im Träger, so dass lediglich die eigentliche Fügezone erwärmt und so die Gesamtwärmebelastung des Bau- teils reduziert bzw. gering gehalten wird.
  • Für die Montage der optischen Bauelemente wird das Verfahren für die Verfahren der aktiven und passiven Justage geeignet modifiziert und erweitert.
  • Bevorzugt wird ein Trägerelement aus Silizium bereitgestellt. Solche Trägerelemente aus Silizium haben den Vorteil, dass sie eine elektronische Funktionalität aufweisen können und damit eine hohe Integrationsdichte ermöglichen.
  • Vorzugsweise erfolgt die chemische Verbindung zwischen optischem Bauteil und Trägerelement durch eine Oxidbildung. Gerade solche chemischen Verbindungen führen dazu, dass sie langzeitstabil sind und keinen thermischen Veränderungen unterliegen.
  • Um das optische Bauelement während der Montage zu fixieren, wird es an der Montagefläche während des Verbindungsvorgangs mittels eines Glasbauteils angedrückt. Gerade durch ein solches Glasbauteil kann die Laserstrahlung unmittelbar für den Verbindungsvorgang hindurchgeführt werden.
  • Zur Ausrichtung und/oder Anpassung des optischen Bauelements kann dieses mit einem Greifer aufgenommen und in die Bauteilaufnahme eingesetzt werden. Dann wird das optische Bauelement, beispielsweise eine Lichtleitfaser oder ein optischer Spiegel oder eine Linse, hinsichtlich seiner maximalen Transmission oder Reflexion justiert, bevor es mit der Montagefläche verbunden wird.
  • Bei nicht optimalen Parametern kann nach der ersten Justierung eine mechanische Nachbearbeitung des optischen Bauelements und/oder des Trägerelements erfolgen.
  • Zum Verbinden von zwei Glasfaserenden werden diese auf die Montageflächen der Bauteilaufnahme aufgesetzt; die Glasfasern werden dann auf maximale Transmission an der Verbindungsstelle justiert, bevor sie mit den Montageflächen befestigt werden.
  • Zum Montieren von im Querschnitt kreisförmigen Bauelementen wird die Bauteilaufnahme des Trägerelements mit V-förmig ausgerichteten Montageflächen versehen. Als Trägersubstrat hat sich gerade hierzu Silizium bewährt, da durch anisotrope Ätztechniken V-förmige Vertiefungen für die Bauteilaufnahme mit Präzisionen < 1 μm eingebracht werden können.
  • In Verbindung mit solchen V-förmig ausgerichteten Montageflächen kann ein Bauteil, beispielsweise eine Lichtleitfaser, an jeder der zwei Flächen jeweils mittels Beaufschlagung von Laserstrahlung befestigt werden.
  • Um die Haftbedingungen zu verbessern, wird die Montagefläche vor dem Verbinden des optischen Bauteils daran, durch chemische Aktivierung so vorzubehandelt, dass sich reaktive Gruppen an der Oberfläche, d.h. freie Silanolgruppen, bilden.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
  • In der Zeichnung zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der ein optisches Bauelement an einem Träger montiert wird, um das Prinzip der Erfindung darzustellen,
  • 2 drei Verfahrensschritte, um eine Lichtleitfaser in einer V-förmigen Nut eines Trägers anzuordnen, und
  • 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung eines typischen Systems, um den Aufbau von Laser, Kollimationsoptik und Glasfaser einer Anordnung zu zeigen, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Anordnen der optischer Bauteile eingesetzt werden kann.
  • In 1 ist das Prinzip des Verfahrens zum Positionieren und Verbinden eines optischen-Bauelements an der Montagefläche eines Trägerelements unter Ausrichtung der optischen Achse dargestellt. Das zu montierende Bauelement 1, beispielsweise eine Lichtleitfaser, wird, bei der aktiven Montage, mit einem Greifer (nicht dargestellt) aufgenommen und an der Montagefläche 2 eines Trägerelements 3 aufgesetzt. Anschließend wird das Bauelement 1 mittels des Greifers auf maximale Transmission justiert. Nach erfolgter Justage wird das Bauelement 1 weiterhin mittels des Greifers gehalten oder mit einer Glasplatte 4 oder einem anderen, für Laserstrahlung transparenten Abdeckteil abgedeckt und damit festgeklemmt. Dann wird Laserstrahlung 5 durch das Abdeckteil sowie die Lichtleitfaser bzw. das entsprechende optische Element 1 hindurch auf die Fügestelle zu dem Trägerelement 3 gerichtet. Dieses Trägerelement ist vorzugsweise eine aus Silizium gefertigte Platte. Die für die Befestigung notwendige Laserstrahlung kann entweder durch den Greifer selbst oder aber über eine Glasfaser oder über eine im Greifer integrierte Strahlenquelle zugeführt werden. Nach dem Prinzip, wie es in 1 dargestellt ist, können beliebige, optische Bauelemente auf einem Träger zu einem mikrooptischen Modul zusammengesetzt werden. Diese Verfahrensweise führt zu einer sehr geringen Fügezeit und benötigt keine Zusatzstoffe, wie beispielsweise Klebemittel.
  • Bei der Montage der Bauelemente mit passiver Justage wird das Laserverbinden in Kombination mit einer Vorbereitung der optischen Bauelemente zur passgenauen Montage verwendet.
  • In 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte Vermessung-Anschliff-Laserbonden dargestellt. Dabei wird zunächst ein optisches Bauelement 1 hinsichtlich seiner Toleranzen vermessen. Bei einer Lichtleitfaser ist dies vor allem der Aussendurchmesser und die Position des Faserkerns, wie in 2a) angedeutet ist. Anschließend wird eine Seite des Bauelements, beispielsweise durch Anschleifen (Verfahrensschritt (b) – Anschliff) so abgeflacht, dass sich nach der Montage des Bauelements in einer V-Grube 6 in einem Silizium-Trägerelement 3 ein fluchtender, optischer Weg ergibt. Diese V-Grube 6 in dem Silizium-Trägerelement des hier gezeigten Beispiels kann mittels Ätztechnik eingebracht werden. Die Abflachung und Anpassung des optischen Bauelements kann an zwei Seiten erfolgen, wie in 2b) angedeutet ist, die der Orientierung der Flächen der V-Grube entsprechen. Nach erfolgter Positionierung wird dann, im Verfahrensschritt (c), das Bauelement 1 mittels Laserbonden dauerhaft fixiert, indem die Laserstrahlung durch das Bauelement hindurch auf die jeweiligen Flächen der V-Grube 6 gerichtet werden.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren kann, im Gegensatz zu den üblichen Montageverfahren für mikrooptische Bauelemente, vollständig automatisiert werden. Insbesondere kann die Vorbereitung der optischen Bauelemente vor der eigentlichen Montage erfolgen, so dass hier auch eine Fertigungsreihenfolge in einer Montagelinie realisiert werden kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Positionieren und Verbinden eines optischen Bauelementes aus einem für Laserstrahlung transparenten Material an Montageflächen eines Trägerelementes mit folgenden Schritten: a) die Montagefläche wird vor dem Verbinden des optischen Bauelementes durch chemische Aktivierung vorbehandelt, so dass sich an der Oberfläche freie Silanolgruppen bilden, b) Bereitstellen eines optischen Bauelementes, dessen Oberfläche chemische Verbindungen enthält, die unter Wärme mit Silanolgruppen chemisch reagieren, c) Justieren und Anpassen der Montageflächen und des optischen Bauelementes in Bezug auf die optische Achse, d) Aneinanderlegen des optischen Bauelementes und der Montagefläche e) Bestrahlen der Montagefläche mit Laserstrahlung durch das optische Bauelement hindurch, so dass das optische Bauelement und die Montagefläche eine chemische Verbindung miteinander eingehen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Montageelement und optischem Bauelement eine Sauerstoffverbindung ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement aus Silizium besteht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement während der Bestrahlung mittels eines Glasbauteiles an die Montagefläche angedrückt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen des optischen Bauelementes an die Montagefläche mittels eines Greifers erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Justage des optischen Bauelementes auf maximale Transmission oder Reflexion erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer ersten Justage eine mechanische Nachbearbeitung des optischen Bauelementes und/oder der Montagefläche erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagefläche v-förmig ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden von Glasfasern zwei optische Bauelemente in Form von zwei Glasfaserenden bereitgestellt werden, auf der Montagefläche auf maximale Transmission justiert und/oder angepasst werden.
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