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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.
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Solche
Verfahren sind allgemein bekannt und werden nachfolgend erläutert.
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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.
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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.
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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.
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Bisher
haben sich hierfür
2 alternative Verfahren durchgesetzt:
- • Aktive
Justage der Bauelemente und anschließendes Fügen
- • Passive
Justage der Bauelemente und anschließendes Fügen
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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.
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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.
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In
beiden Fällen
werden die einzelnen Bauteile heute in der Regel mittels Klebetechnik
fixiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten
Merkmalen.
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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.
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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.
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Für die Montage
der optischen Bauelemente wird das Verfahren für die Verfahren der aktiven
und passiven Justage geeignet modifiziert und erweitert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
nicht optimalen Parametern kann nach der ersten Justierung eine
mechanische Nachbearbeitung des optischen Bauelements und/oder des Trägerelements
erfolgen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung anhand der Zeichnungen.
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In
der Zeichnung zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung, bei der ein optisches
Bauelement an einem Träger
montiert wird, um das Prinzip der Erfindung darzustellen,
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2 drei
Verfahrensschritte, um eine Lichtleitfaser in einer V-förmigen Nut
eines Trägers
anzuordnen, und
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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.
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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.
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Bei
der Montage der Bauelemente mit passiver Justage wird das Laserverbinden
in Kombination mit einer Vorbereitung der optischen Bauelemente zur
passgenauen Montage verwendet.
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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.
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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.