DE19610881A1

DE19610881A1 - Mikrosystembaustein

Info

Publication number: DE19610881A1
Application number: DE19610881A
Authority: DE
Inventors: Vitaly Dr Lissotschenko; Joachim Hentze
Original assignee: Individual
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2016-03-21
Also published as: CN1203675A; KR19990071946A; JP2000501518A; CA2239866A1; DE19610881B4; WO1997021126A1; US6416237B2; EP0888569A1; CN1152270C; IL124796A0; AU1368897A; US20020102071A1; US20010043779A1; JP3995026B2; US6621631B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrosystembaustein, insbeson dere für die Verwendung in mikrooptischen Systemen, beste hend aus einem Körper, an dessen Oberfläche mindestens eine Funktionsfläche und Stützflächen zum Anbau an angrenzende Komponenten eines Mikrosystemes vorgesehen sind.

Diese Mikrosystembausteine sollen in erster Linie in der Mikrooptik verwendet werden, um Lichtquellen und Lichtlei ter miteinander zu verbinden oder den Lichtstrahl am Ende eines Lichtleiters oder am Austritt einer Lichtquelle in besonderer Art und Weise zu formen, beispielsweise zu bün deln, zu kollimieren, zu beugen oder divergieren zu lassen. Solche Mikrosystembausteine können aber auch anderswo in Mikrostruktursystemen zum Einsatz kommen, wo es darauf ankommt, bestimmte Funktionsflächen, z. B. Abtastflächen, in einer genauen räumlichen Relation zu den angrenzenden Komponenten festzulegen.

Ein solches Problem auf dem Gebiet der Mikrooptik ist bei spielsweise aus der WO 92/06046 A1 bekannt. Eine dort be schriebene mikrooptische Linse besteht aus einer länglichen Glasfaser, die an drei Längsseiten abgeflacht ausgebildet und an der vierten Längsseite zylindermantelförmig gerundet ist.

Bei dieser vorbekannten mikrooptischen Linse dient die zylindermantelförmig gerundete Fläche als optisch wirksame Grenzfläche, während die der zylindermantelförmig gerun deten Fläche gegenüberliegende Fläche als ebene Stützfläche zum Anschluß der angrenzenden Komponenten dient, die hier als Diodenlaser ausgebildet sind, deren emittiertes Licht kollimiert werden soll. Die Diodenlaser sind hier mit einem geeigneten Kleber oder optischen Zement an der Stützfläche der mikrooptischen Linse angeklebt. Dabei besteht die Gefahr einer nicht genau funktionsgerechten Positionierung der mikrooptischen Linse relativ zu den Diodenlasern. Außerdem kann beim Ankleben oder Anzementieren leicht die empfindliche Emitterfläche des Diodenlasers beschädigt werden.

Die lagegerechte Positionierung einer mikrooptischen Linse relativ zum Emitter eines Diodenlasers wird noch wesentlich schwieriger, wenn auch die dem Diodenlaser zugewandte Seite der mikrooptischen Linse eine von der Ebene abweichende Ge stalt hat. Solche mikrooptischen Linsen, die als Kollimato ren für Diodenlaser gedacht sind, sind beispielsweise aus der US-PS 5 181 224 bekannt. Diese vorbekannten Kollimato ren lassen sich beispielsweise nur mit erheblichem Meßauf wand und gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Adaptern oder Paßstücken an einen Diodenlaser anschließen. Ebenso schwierig ist es natürlich, solche mikrooptischen Linsen auch anderswo paßgenau an angrenzende mikrooptische Kompo nenten anzuschließen. Schließlich besteht bei diesen mi krooptischen Linsen die Gefahr, daß die konvex vorstehen den, optisch wirksamen Grenzflächen, die sehr empfindlich sind, beim Transport, der Handhabung und der Montage der mikrooptischen Linse beschädigt werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Mikrosystembau stein der eingangs genannten Art zu schaffen, der äußerst paßgenau und exakt reproduzierbar an angrenzenden Komponen ten eines Mikrostruktursystems angeschlossen werden kann, wobei Beschädigungen der angrenzenden Komponenten und der empfindlichen Funktionsflächen des Mikrosystembausteines vermieden werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Mikrosystembaustein, ins besondere für die Verwendung in mikrooptischen Systemen, bestehend aus einem Körper, an dessen Oberfläche mindestens eine Funktionsfläche und Stützflächen zum Anbau an angren zende Komponenten eines Mikrosystemes vorgesehen sind, wobei sich dieser Mikrosystembaustein dadurch kennzeichnet,

- daß die Stützflächen im Bereich von nach außen vorstehen den Oberflächenbereichen des Körpers angeordnet sind,
- daß die Funktionsflächen in gegenüber den Stützflächen in Richtung auf das Innere des Körpers zurückstehenden Bereichen der Oberfläche des Körpers angeordnet sind und
- daß die Funktionsflächen in Bezug auf die Stützflächen mit engsten Toleranzen maßhaltig angeordnet sind.

Beim Mikrosystembaustein gemäß der Erfindung stehen die empfindlichen Funktionsflächen nirgendwo nach außen über die Außenkontur des Bausteines hinaus, sondern sind hinter den Stützflächen zurückliegend angeordnet und dementspre chend gut gegen Beschädigung durch Berührung geschützt. Sie kommen bei der Montage auch nicht mit den angrenzenden Kom ponenten in Berührung, so daß Beschädigungen der angrenzen den Komponenten, beispielsweise Beschädigungen am empfind lichen Emitter von Diodenlaser, zuverlässig vermieden wer den. Dadurch, daß die Stützflächen in Bezug auf die Funkti onsflächen bereits von der Fertigung her mit engsten Tole ranzen maßhaltig angeordnet sind, wird die maßhaltige Mon tage des Bausteines außerordentlich erleichtert. Hierzu brauchen nämlich lediglich die Stützflächen an dem Baustein in der richtigen Relation zu den Gegenflächen an den an grenzenden Komponenten angeordnet zu werden. Stimmt diese maßliche Relation, so stimmt automatisch auch die Anordnung der Funktionsfläche relativ zu den angrenzenden Komponen ten, vorausgesetzt natürlich, daß deren Gegenstützflächen ebenfalls entsprechend maßhaltig angeordnet sind.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß in den Stützflächen Formschlußelemente zum Eingriff in kor respondierende Formschlußelemente an den angrenzenden Kom ponenten vorgesehen sind. Solche Formschlußelemente, z. B. in Form von Vertiefungen und Vorsprüngen und/oder Nuten und Federn machen es möglich, den Mikrosystembaustein in allen Richtungen genau justiert festzulegen, ohne daß es für die Justage aufwendiger Messungen bedarf.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß die Funktionsflächen und/oder die Stützflächen glatt poliert ausgebildet sind. Durch Polieren dieser Flächen werden aus Rauhigkeit der Oberflächen herrührende Maßabweichungen vermieden. Die Maß relationen zwischen solchen polierten Flächen könnten bis auf wenige Nanometer genau gestaltet werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Körper aus optisch durchlässigem Materi al besteht und die Funktionsflächen als optisch wirksame Grenzflächen ausgebildet sind. Unter Optik werden nachste hend alle Systeme verstanden, die mit elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren und des unsichtbaren (Ultraviolett, Infrarot) Lichts arbeiten, bis hin zu den Mikrowellen (Millimeterwellen). Unter optisch durchlässigem Material werden Materialien wie optisches Glas, Quarz, Ger manium, Rubin, optische Kunststoffe etc. verstanden, die dazu geeignet sind, elektromagnetische Wellen der genannten Art durchzulassen und zu beeinflussen. An den optisch wirksamen Grenzflächen wird das Licht gebrochen, durch Totalreflektion oder durch eine Reflektionsbeschichtung reflektiert oder durch Beugungslinien oder Beugungsgitter gebeugt. Die an dem für mikrooptische Systeme geeigneten Mikrosystembaustein vorhandenen Funktionsflächen können unterschiedlich ausgestaltet sein. Sie können bei spielsweise als konkav oder konvex gewölbte Linsenoberflä chen ausgebildet sein, wobei alle aus der Makrooptik be kannten Linsenformen hergestellt werden können. Ebenso können in den Funktionsflächen gegeneinander geneigte, ebene Flächen zur Bildung von Prismen angeordnet sein, die das Licht brechen oder reflektieren. Ebenso können in der Funktionsfläche Beugungslinien oder Beugungsgitter angeord net sein, die das durchtretende Licht beugen. Schließlich können die Funktionsflächen ganz oder teilweise mit einer spiegelnden Beschichtung überzogen sein.

Gegebenenfalls ist es auch möglich, in jeder Funktionsflä che eine Vielzahl von Funktionselementen in Form von Linsen und/oder Prismen und/oder Beugungslinien und/oder reflek tierenden Flächen anzuordnen. Auf diese Weise können soge nannte Linsenarrays auf einem einzigen mikrooptischen Bau stein hergestellt werden.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn an dem Körper an dia metral gegenüberliegenden Seiten Funktionsflächen angeord net sind, deren Funktionselemente durch den Körper hindurch optisch korreliert sind. Hierdurch ist es möglich, an einem solchen mikrooptischen Baustein optische Systeme zu instal lieren, die das durchtretende Licht auf die verschiedenste Art und Weise formen und weiterleiten.

Ein nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikroopti scher Baustein kann beispielsweise als refraktiver Kolli mator ausgebildet sein, der an einen Diodenlaser anschließ bar ist. Bei diesem Kollimator bildet die dem Emitter des Diodenlasers zugewandte Funktionsfläche ein Prisma, dessen Scheitel parallel zur Längserstreckung des Emitters des Diodenlasers verläuft und im Nahbereich des Emitters abge rundet ist. Weiterhin ist der Scheitelwinkel des Prismas größer als der Emissionswinkel orthogonal zur Längser streckung des Emitters des Diodenlasers. Schließlich ist die dem Emitter des Diodenlasers gegenüberliegende Funk tionsfläche als Zylinderfläche ausgebildet, deren Zylin derachse orthogonal zum Scheitel des Prismas verläuft. Ein solcher refraktiver Kollimator ist dazu in der Lage, das von dem Emitter des Diodenlasers ausgesandte Lichtband mit sehr geringen Verlusten aufzunehmen und zu kollimieren. Dieser Kollimator hat eine besonders hohe numerische Aper tur von beispielsweise 0,68 bei der Verwendung von Quarz glas und kann infolgedessen das von dem Diodenlaser ausge strahlte Licht fast vollständig kollimieren. Auch dieser refraktive Kollimator hat vorteilhafterweise über die Funktionsflächen vorstehende Stützflächen. Die besondere Ausgestaltung und gegenseitige Zuordnung der Funktions flächen hat die angegebenen Vorteile aber auch ohne die Stützflächen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf Kollimatoren der zuletzt genannten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stützflächen fehlen.

Ein anderer nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikrooptischen Baustein kann beispielsweise als reflektiver optischer Koppler ausgebildet sein, der zwischen einem Diodenlaser und einem sich anschließenden Lichtwellenleiter einsetzbar ist. An den Funktionsflächen des optischen Kopplers sind jeweils zwei Funktionselemente angeordnet, nämlich eine erste asphärische Zylinderlinse und versetzt dazu ein planer Spiegel an der ersten Funktionsfläche und ein asphärischer Zylinderspiegel und versetzt dazu eine zweite asphärische Zylinderlinse an der zweiten Funktions fläche. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsen ver laufen orthogonal zueinander. Ihre optischen Achsen sind demgegenüber parallel zueinander angeordnet. Vor der ersten asphärischen Zylinderlinse ist der Emitter des Diodenlasers angeordnet. Ein von dem Emitter ausgesandtes Lichtband fällt durch die erste Zylinderlinse in den Mikrosystembau stein ein, trifft auf den gegenüber angeordneten asphäri schen Zylinderspiegel, wird von dort auf den planen Spiegel gelenkt und tritt dann durch die zweite asphärische Zylinderlinse aus dem Mikrosystembaustein heraus. Ein solcher reflektiver optischer Koppler ist bei extrem kurzer Baulänge in der Lage, das von dem Emitter des Diodenlasers ausgesandte Lichtband mit sehr geringen Verlusten aufzu nehmen und fokussiert in einen Lichtwellenleiter einzukop peln. Dieser reflektive optische Koppler hat vorteilhaf terweise über die Funktionsflächen vorstehende Stütz flächen. Die besondere Ausgestaltung und gegenseitige Zuordnung der Funktionsflächen hat die angegebenen Vorteile allerdings auch ohne diese Stützflächen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf reflektive optische Koppler der zuletzt genannten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stützflächen fehlen.

Ein weiterer nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter Mikrosystembaustein kann beispielsweise als optische Lei terplatte ausgebildet sein, durch die mindestens zwei optoelektronische Halbleiterbausteine aneinander anschließ bar sind. Dazu sind die Funktionsflächen einerseits als Linsen zum Ein- und Auskoppeln von Lichtstrahlen und andererseits als Spiegel zur Strahlführung innerhalb der optischen Leiterplatte ausgebildet. Eine solche optische Leiterplatte ist in der Lage, einen von einem eingangs seitig angeschlossenen optoelektronischen Halbleiterbau stein (IOE Chip) emittierten Lichtstrahl über eine erste Linse aufzunehmen und den Verlauf des Lichtstrahls inner halb der optischen Leiterplatte mittels der Spiegel derart zu lenken, daß der Lichtstrahl durch eine zweite Linse aus der optischen Leiterplatte heraustritt und auf einen aus gangsseitig angeschlossenen zweiten optoelektronischen Halbleiterbaustein trifft. Die beiden optoelektronischen Halbleiterbausteine sind so zum Zwecke des Datenaustausches miteinander optisch verschaltet. Durch den Einsatz ent sprechender wellenselektiver Strahlweichen ist es möglich, mehrere optoelektronische Halbleiterbausteine bidirektional miteinander zu verschalten. Durch den Einsatz einer Viel zahl von Linsen und Spiegeln in den optischen Leiterplatten können auch kompliziertere dreidimensionale optische Ver bindungsstrukturen realisiert werden. Diese optische Lei terplatte hat vorteilhafterweise über die Funktionsflächen vorstehende Stützflächen. Die besondere Ausgestaltung und gegenseitige Zuordnung der Funktionsflächen hat die ange gebenen Vorteile allerdings auch ohne diese Stützflächen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf optische Leiterplatten der zuletzt genannten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stützflächen fehlen.

Ein ebenfalls nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikrooptischer Baustein kann beispielsweise als wellense lektive Strahlweiche an eine Lichtquelle, einen Lichtem pfänger und einen Lichtwellenleiter angeschlossen werden. Hierzu weist die der Lichtquelle und dem Lichtwellenleiter zugewandte Funktionsfläche ein Funktionselement mit wellen selektiven Eigenschaften auf, die dazu führen, daß das Funktionselement je nach Wellenlänge der einfallenden Lichtstrahlen reflektives oder refraktives Verhalten auf weist. Ein von der Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl wird von dem wellenselektiven Funktionselement derart reflek tiert, daß er auf den Lichtwellenleiter trifft. Ein aus dem Lichtwellenleiter heraustretender Lichtstrahl wird von dem selben wellenselektiven Funktionselement derart gebrochen, daß er auf den Lichtempfänger trifft. Eine solche wellen selektive Strahlweiche ermöglicht eine bidirektionale optische Datenübertragung über einen Lichtwellenleiter. Als Lichtquelle wird üblicherweise ein Diodenlaser eingesetzt, dessen fokussiertes Lichtband über das wellenselektive Funktionselement der Strahlweiche und eine Kugellinse in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Die aus dem Lichtwellenleiter heraustretenden Lichtstrahlen werden an dem wellenselektiven Funktionselement gebrochen, verlaufen durch die Strahlweiche, treten auf der gegenüberliegenden Seite aus dieser aus und treffen auf den Lichtempfänger, beispielsweise eine Fotodiode. Diese wellenselektive Strahlweiche hat vorteilhafterweise über die Funk tionsflächen vorstehende Stützflächen. Die besondere Ausge staltung und gegenseitige Zuordnung der Funktionsflächen hat die angegebenen Vorteile allerdings auch ohne diese Stützflächen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf wellenselektive Strahlweichen der zuletzt genann ten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stützflächen fehlen.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Mikrosystembausteinen der obengenannten Art, wobei sich dieses Verfahren dadurch kennzeichnet, daß an einem Substrat die Stützflächen und die Vertiefungen mit den Oberflächenkonturen der diesen Stützflächen zugeordne ten Funktionsflächen durch Ultraschall-Schwingläppen mit einer entsprechend geformten, einteiligen Läppform herge stellt werden. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ver fahren lassen sich die auf dem Substrat herzustellenden Mi krostrukturen, nämlich die Stützflächen und die Vertiefun gen mit den Oberflächenkonturen der Funktionsflächen sehr maßgenau herstellen. Dabei wird eine mit mechanisch mit Ul traschall-Frequenz schwingende Läppform aus Hartmetall, die einen Negativabdruck der herzustellenden Mikrostruktur auf weist, unter Verwendung eines ausreichend harten Läppmit tels (Hartstoffpulver oder -paste) gegen das Substrat ge drückt. Dabei bildet sich an der Oberfläche des Substrates mit hoher Maßgenauigkeit und verhältnismäßig geringer Ober flächenrauhigkeit ein positiver Abdruck der Läppform aus. Dadurch, daß eine einteilige Läppform verwendet wird, ist es auf einfache Weise möglich, die Maßrelation zwischen den Stützflächen und den Funktionsflächen mit größter Genauig keit einzuhalten.

Die Oberflächenrauhigkeiten sind so gering, daß sie ohne weiteres durch Polieren mit einem Elektronenstrahl poliert werden können. Dabei wird die Energiedichte des Elektronen strahls so eingestellt, daß nur die Oberfläche der zu po lierenden Fläche angeschmolzen wird, so daß die Oberflä chenspannung eines absolut glatte Oberfläche herstellt. Dieses Polieren mit Elektronenstrahl ist Gegenstand einer auf die gleichen Anmelder zurückgehenden deutschen Patent anmeldung DE 42 34 740 A1.

Für die Massenfertigung von Mikrosystembausteinen der oben erläuterten Art schlägt die Erfindung vor, daß an einer großflächigen Läppform die Negativkonturen einer Vielzahl von Mikrosystembausteinen ausgebildet ist, daß die Läppform an einem entsprechend großformatigen Substrat abgeformt wird und daß abschließend das Substrat in die einzelnen Mi krosystembausteine zerteilt wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen als refraktiver Kollimator ausgebildeten Mikro systembaustein mit angeschlos senem Diodenlaser;

Fig. 2 einen horizontalen Längsschnitt durch den Mikrosystembaustein gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstel lung des Mikrosystembausteines gemäß Fig. 1 und Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Darstel lung eines Mikrosystembaustei nes mit Formschlußelementen in den Stützflächen zum Eingriff in korrespondierende Form schlußelemente an angrenzenden Komponenten;

Fig. 5 eine perspektivische Darstel lung zweier hintereinander an geordneter Zylinderlinsenar rays;

Fig. 6 eine perspektivische Darstel lung eines Mikrosystembaustei nes mit optisch korrelierten diametral gegenüberliegenden Funktionsflächen;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines als reflektiver optischer Koppler ausgebildeten Mikrosystembau steines;

Fig. 8 eine Draufsicht des Mikrosy stembausteines aus Fig. 7;

Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen als optische Leiterplatte aus gebildeten Mikrosystembaustein;

Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen als wellenselektive Strahl weiche ausgebildeten Mikrosy stembaustein;

Fig. 11 schematisch im Schnitt den Läppvorgang zum Herstellen einer Rohform eines Mikrosys tembausteines aus einem Substrat;

Fig. 12 schematisch im Schnitt den Läppvorgang zum Herstellen ei ner Rohform mehrerer auf der optisch wirksamen Grenzflächen nebeneinander angeordneter Funktionselemente aus einem Substrat und

Fig. 13 schematisch im Schnitt das Po lieren der optisch wirksamen Grenzflächen mittels Elektro nenstrahl.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.

In Fig. 1 ist ein Mikrosystembaustein gemäß der Erfindung für die Verwendung in mikrooptischen Systemen in seiner Ge samtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Mikro systembaustein 1 ist als refraktiver Kollimator ausge bildet. Er besteht aus einem Körper 2, z. B. aus Quarzglas oder einem anderen optisch durchlässigen Material. In den Körper 2 sind Vertiefungen 3 und 4 eingearbeitet, an deren Boden jeweils Funktionsflächen 5 und 6 angeordnet sind. Die Funktionsfläche 5 hat die Form eines Prismas mit einem Scheitelwinkel α = 85°. Im Bereich seines Scheitels ist das Prisma mit einer Abrundung 5a versehen. Die Funktionsfläche 6 weist eine etwa zylindermantelförmige Wölbung auf, wobei die Achse dieser zylindermantelförmige Wölbung senkrecht zur Längserstreckung des Scheitels des Prismas an der gegenüberliegenden optisch wirksamen Grenzfläche 5 verläuft.

Weiterhin ist der Körper 2 mit Stützflächen 7 und 8 verse hen, die zum Anschluß an angrenzende optische Komponenten 9 dienen, z. B. zum Anschluß an einen Diodenlaser, der mit den Stützflächen 7 entsprechenden Gegenstützflächen 10 versehen ist. Die Stützflächen 7 und 8 sind mit aus der Fläche vorstehenden Formschlußelementen 7a bzw. 8a z. B. in Form von Vorsprüngen versehen, die in entsprechende Gegenform schlußelemente 10a in den Gegenstützflächen 10 an den an grenzenden optischen Komponenten 9 eingreifen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, befinden sich die Stützflächen 7 und 8 in einer genau definierten Maßrelation zu den Funktionsflächen 5 und 6. Dadurch, daß die Funk tionsflächen 5 und 6 gegenüber den Stützflächen 7 und 8 in Richtung auf das Innere des Körpers 2 zurückstehen, sind sie gut geschützt angeordnet. Mit Hilfe der Stützflächen 7 und 8 an dem Körper 2 und der Gegenstützflächen 10 an der anliegenden optischen Komponente 9 kann der Mikrosystembau stein 1 auf einfache Weise sehr genau an dem Diodenlaser 11 positioniert werden, und zwar so, daß der Scheitel des Prismas in der Funktionsfläche 5 genau dem Emitter des Diodenlasers 11 gegenüberliegt und dabei exakt parallel zu dessen Längserstreckung ausgerichtet ist.

In Fig. 3 ist der oben beschriebene Mikrosystembaustein 1 perspektivisch dargestellt.

In Fig. 4 ist ein als refraktiver Kollimator ausgebildeter Mikrosystembaustein 1 dargestellt, dessen Stützflächen 7, die an eine optische Komponente 9 grenzen, mit Vor sprüngen 50 versehen sind. Diese Vorsprünge 50 greifen in korrespondierende Vertiefungen 51 an der angrenzenden Kom ponente 9 ein. Dies ermöglicht es, den Mikrosystembau stein 1 in y- und z-Richtung genau justiert an der angren zenden Komponente 9 festzulegen, ohne daß es für die Justage aufwendiger Messungen bedarf.

In Fig. 5 sind zwei Mikrosystembausteine 1 dargestellt, auf deren Funktionsflächen jeweils eine Vielzahl von Funktions elementen in Form von Zylinderlinsen angeordnet sind. Die beiden Mikrosystembausteine 1 bilden je ein Zylinderlin senarray 60 und 61. Die Zylinderachsen der einzelnen Zylin derlinsen der Zylinderlinsenarrays 60 und 61 verlaufen parallel zueinander. An ihren Stützflächen 7 grenzen die beiden Zylinderlinsenarrays 60 und 61 mit einander zuge wandten Funktionsflächen aneinander. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsenarrays 60 und 61 verlaufen in einem rechten Winkel zueinander. Solche Zylinderlinsenarrays 60 und 61 werden häufig hintereinander angeordnet, um dadurch eine optimale Transformation und Formung eines hindurchtre tenden Lichtstrahlenbündels zu erzielen.

Fig. 6 zeigt einen Mikrosystembaustein 1, an dessen Kör per 2 an diametral gegenüberliegenden Seiten Zylinderlin senarrays 70 bzw. 71 angeordnet sind, die durch den Kör per 2 hindurch optisch korreliert sind. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsenarrays 70 und 71 verlaufen in ei nem rechten Winkel zueinander.

Fig. 7 zeigt einen als reflektiven optischen Koppler ausge bildeten Mikrosystembaustein 1. An seinem Körper 2 sind an diametral gegenüberliegenden Seiten Funktionsflächen 5 und 6 angeordnet, deren Funktionselemente 80 bis 83 durch den Körper 2 hindurch optisch korreliert sind. Vor einer asphärischen Zylinderlinse 80 ist der Emitter eines nicht dargestellten Diodenlasers angeordnet, der ein Lichtband aussendet. Dieses tritt durch die Zylinderlinse 80 in den Körper 2 ein, trifft auf einen asphärischen Zylinder spiegel 81, wird von diesem auf einen planen Spiegel 82 und von dort auf eine zweite asphärische Zylinderlinse 83 reflektiert. Dann tritt das Lichtband durch die Zylinder linse 83 aus dem Körper 2 heraus und wird schließlich in einen ebenfalls nicht dargestellten Lichtwellenleiter ein gekoppelt, der vor der Zylinderlinse 83 angeordneten ist. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsen 80 und 83 verlaufen orthogonal, und ihre optischen Achsen 84 und 85 verlaufen parallel zueinander. Ein solcher reflektiver optischer Koppler dient dazu, das von dem Diodenlaser emit tierte Lichtband zu fokussieren und in den Lichtwellen leiter einzukoppeln. In Fig. 8 ist eine Draufsicht des reflektiven optischen Kopplers aus Fig. 7 dargestellt.

Fig. 9 zeigt einen als optische Leiterplatte ausgebildeten Mikrosystembaustein 1, der an zwei optoelektronische Halb leiterbausteine 90 und 91 angeschlossen ist und diese mit einander optisch verschaltet. Die Funktionsflächen der optischen Leiterplatte sind einerseits als Linsen 93 und 96 zum Ein- und Auskoppeln von Lichtstrahlen und andererseits als Spiegel 94 und 95 zur Strahlführung innerhalb der opti schen Leiterplatte ausgebildet. Die optische Verschaltung geht derart vor sich, daß der erste optoelektronische Halb leiterbaustein 90 einen Lichtstrahl 92 aussendet, der über eine erste Linse 93 in den Körper 2 der optischen Lei terplatte eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl 92 wird über Spiegel 94 und 95 so geführt, daß er über eine zweite Linse 96 wieder aus dem Körper 2 ausgekoppelt wird und auf den zweiten optoelektronischen Halbleiterbaustein 91 trifft. Ein Verschalten der beiden optoelektronischen Halb leiterbausteine 90 und 91 in umgekehrter Richtung, d. h. der Halbleiterbaustein 91 sendet einen Lichtstrahl 92 aus, den der Halbleiterbaustein 90 dann empfängt, ist ebenfalls möglich. Durch den Einsatz geeigneter Strahlweichen ist eine bidirektionale Verschaltung der beiden optoelektroni schen Halbleiterbausteine 90 und 91 realisierbar.

Fig. 10 zeigt einen als wellenselektive Strahlweiche ausge bildeten Mikrosystembaustein 1. Dieser ist an eine Lichtquelle 102, einen Lichtempfänger 107 und einen Licht wellenleiter 105 angeschlossen. Die der Lichtquelle 102 und dem Lichtwellenleiter 105 zugewandte Funktionsfläche 6 weist ein Funktionselement 101 mit wellenselektivem Ver halten auf. Als Lichtquelle 102 wird ein Diodenlaser einge setzt. Der Emitter des Diodenlasers 102 sendet ein Licht band 103 aus, welches an dem wellenselektiven Funktions element 101 reflektiert und über eine Kugellinse 104 in den Lichtwellenleiter 105 eingekoppelt wird. Wird nun ein Lichtstrahl 106 aus dem Lichtwellenleiter 105 ausgekoppelt, so wird er an dem wellenselektiven Funktionselement 101 und einem gegenüberliegenden Funktionselement 100 derart gebrochen, daß er auf den Lichtempfänger 107 trifft. Dieser ist als Fotodiode ausgebildet. Durch eine solche wellen selektive Strahlweiche wird eine bidirektionale optische Datenübertragung über einen Lichtwellenleiter 105 ermög licht.

In den Fig. 11 bis 13 ist das Herstellungsverfahren für die Herstellung von Mikrosystembausteinen 1 gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Der erste Schritt des Herstel lungsverfahrens geht von einem z. B. quaderförmigen Substrat 20 aus optisch durchlässigem Material aus, z. B. von Quarzglas. Die Herstellung der Vertiefungen 3 bzw. 4 in dem quaderförmigen Quarzglaskörper erfolgt durch Ultraschall-Schwingläppen. Dabei handelt es sich um ein ungerichtetes Spanen mit losen, in einer Flüssigkeiten bzw. einer Paste fein verteilten Hartstoffkörnern, die durch eine mit Ultraschall-Frequenz schwingende Läppform aus Hartmetall aktiviert werden.

In Fig. 11 ist dieses Ultraschall-Schwingläppen zur Her stellung einer Rohform eines einzelnen Mikrosystembaustei nes 1 schematisch dargestellt. Die Läppform ist mit dem Be zugszeichen 21 bezeichnet. Sie weist an ihrer dem Substrat 20 zugewandten Oberfläche einen Negativabdruck der herzu stellenden Vertiefung 3 und 4 und Funktionsflächen 5 und 6 auf. Die Läppform 21 ist an der dem Substrat 20 zugewandten Seite mit einer Schicht 22 aus Schleifmittel beschichtet. Bei diesem Schleifmittel handelt es sich vorzugsweise um ein Schleifpulver, das in fein verteilter Form Hartstoff körner enthält.

Für den Läppvorgang wird die mit der Schleifmittelschicht 22 versehene Läppform 21 mit mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt und gegen das Substrat 20 ge drückt. Dabei wird das Material des Substrates 20 durch ei ne ungerichtete Zerspanung abgetragen. Sobald die Läppform 21 mit den Flächenbereichen 7, 8 des Substrates 20 in Be rührung kommt, wird der Abtragungsvorgang abgebrochen. Im Ergebnis bildet sich an dem Substrat 20 ein exakter positi ver Abdruck der Läppform 21 aus. Auf diese Weise ist es möglich, die geforderten Strukturen an der Oberfläche des herzustellenden Mikrosystembausteines 1 mit großer Maßhal tigkeit herzustellen.

Fig. 12 zeigt die Herstellung mehrerer auf einem großflä chigen Substrat nebeneinander angeordneter Funktionsele mente mittels des Ultraschall-Schwingläppverfahrens. Eine großflächige Läppform 31 ist an ihrer einem großflächigem Substrat 30 zugewandten Oberfläche mit einem Negativabdruck mehrerer nebeneinanderliegender Vertiefungen und optisch wirksamer Grenzflächen versehen. Die Läppform ist an der dem Substrat 30 zugewandten Seite mit einer Schicht 32 aus Schleifmittel beschichtet. Wie bei der Herstellung eines einzelnen Mikrosystembausteines geschildert, wird nun mit senkrecht auf das Substrat gerichteten mechanischen Schwin gungen im Ultraschallbereich das Material des Substrates 30 durch eine ungerichtete Zerspanung abgetragen. Auf diese Weise können sogenannte Linsenarrays auf einem einzigen mikrooptischen Baustein hergestellt werden oder die einzelnen Funktionselemente nach der Herstellung entlang der Linien 33 in einzelne Mikrosystembausteine 1 zerteilt werden.

In einem zweiten Verfahrensschritt werden dann abschließend die Funktionsflächen 5 und 6 mit einem Hochenergie-Elek tronenstrahl 43 poliert. Dieser Schritt ist in Fig. 13 dar gestellt. Die dort abgebildete Elektronenkanone zur Her stellung eines energiereichen Elektronenstrahles 43 weist eine als Elektronenquelle dienende Kathode 40, eine zur Beschleunigung des Elektronenstrahles 43 dienende Anode 41 und eine zur Formung des Elektronenstrahles 43 dienende Schlitzblende 42 auf. Der so erzeugte, sehr energiereiche Elektronenstrahl 43, der die Form eines flachen Rechteck bandes hat, wird auf die zu polierenden Oberflächen am Substrat 2 gerichtet. Das Substrat 2 wird dann quer zur Ebene des bandförmigen Elektronenstrahles 43 bewegt. Die Energiezufuhr in die zu polierende Oberfläche wird dabei durch geeignete Maßnahmen so gesteuert, daß nur die Ober fläche über die Tiefe der vorhandenen Rauhigkeiten ange schmolzen wird, und zwar jeweils so weit, daß die vorhan denen Rauhigkeiten sich durch die Oberflächenspannungen der Schmelze ausgleichen.

Claims

1. Mikrosystembaustein (1), insbesondere für die Verwendung in mikrooptischen Systemen, bestehend aus einem Körper (2), an dessen Oberflächen mindestens eine Funkti onsfläche (5, 6) und Stützflächen (7, 8) zum Anbau an an grenzende Komponenten (9) eines Mikrosystems vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stützflächen (7, 8) im Bereich von nach außen vor stehenden Oberflächenbereichen des Körpers (2) angeordnet sind,
daß die Funktionsflächen (5, 6) in gegenüber den Stützflä chen (7, 8) in Richtung auf das Innere des Körpers (2) zu rückstehenden Bereichen der Oberfläche des Körpers (2) an geordnet sind und
daß die Funktionsflächen (5, 6) in Bezug auf die Stützflä chen (7, 8) mit engsten Toleranzen maßhaltig angeordnet sind.

2. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stützflächen (7, 8) Formschluß elemente (7a, 8a; 50) zum Eingriff in korrespondierende Formschlußelemente (10a; 51) an den angrenzenden Komponen ten (9) vorgesehen sind.

3. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsflächen (5, 6) und/oder die Stützflächen (7, 8) glatt poliert ausgebildet sind.

4. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) aus optisch durchlässi gem Material besteht und die Funktionsflächen (5, 6) als optisch wirksame Grenzflächen ausgebildet sind.

5. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Funktionsflächen konkav oder konvex gewölbte Linsenoberflächen ausgebildet sind.

6. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Funktionsflächen gegeneinander geneigte ebene Flächen zur Bildung von Prismen angeordnet sind.

7. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Funktionsflächen Beugungslinien oder Beugungsgitter angeordnet sind.

8. Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsflächen ganz oder teilweise mit einer spiegelnden Beschichtung überzogen sind.

9. Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Funktionsfläche eine Vielzahl von Funktionselementen in Form von Linsen und/oder Prismen und/oder Beugungslinien und/oder reflektierenden Flächen angeordnet ist.

10. Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Körper (2) an diametral gegenüberliegenden Seiten Funkti onsflächen (5, 6) angeordnet sind, deren Funktionselemente durch den Körper (2) hindurch optisch korreliert sind.

11. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An spruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß er als refraktiver Kollimator ausgebildet ist, der an einen Diodenlaser (11) anschließbar ist,
daß die dem Emitter des Diodenlasers (11) zugewandte Funk tionsfläche (5) als Prisma ausgebildet ist, dessen Scheitel parallel zur Längserstreckung des Emitters des Diodenlasers (11) verläuft und im Nahbereich des Emitters abgerundet ist,
daß der Scheitelwinkel des Prismas größer als der Emissi onswinkel orthogonal zur Längserstreckung des Emitters des Diodenlasers (11) ist und
daß die dem Emitter des Diodenlasers (11) gegenüberliegende Funktionsfläche (6) als Zylinderfläche ausgebildet ist, deren Zylinderachse orthogonal zum Scheitel des Prismas verläuft.

12. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An spruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß er als reflektiver optischer Koppler ausgebildet ist, der zwischen einen Diodenlaser und einen sich anschließen den Lichtwellenleiter einsetzbar ist,
daß an den Funktionsflächen (5, 6) jeweils zwei Funktions elemente angeordnet sind, nämlich eine erste asphärische Zylinderlinse (80) und versetzt dazu ein planer Spiegel (82) an der ersten Funktionsfläche (5) und ein asphärischer Zylinderspiegel (81) und versetzt dazu eine zweite asphärische Zylinderlinse (83) an der zweiten Funk tionsfläche (6),
daß die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsen (80, 83) orthogonal zueinander verlaufen und
daß die optischen Achsen der beiden Zylinderlinsen (80, 83) parallel zueinander angeordnet sind.

13. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An spruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß er als optische Leiterplatte ausgebildet ist, durch die mindestens zwei optoelektronische Halbleiterbausteine (90, 91) aneinander anschließbar sind und
daß die Funktionsflächen (5, 6) einerseits als Linsen (93, 96) zum Ein- und Auskoppeln von Lichtstrahlen (92) und andererseits als Spiegel (94, 95) zur Strahlführung inner halb der optischen Leiterplatte ausgebildet sind.

14. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An spruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß er als wellenselektive Strahlweiche ausgebildet ist, die an eine Lichtquelle (102), einen Lichtempfänger (107) und einen Lichtwellenleiter (105) anschließbar ist und
daß die der Lichtquelle (102) und dem Lichtwellenleiter (105) zugewandte Funktionsfläche (6) ein Funktionselement (101) mit wellenselektiven Eigenschaften aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung von Mikrosystembau steinen (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Substrat die Stützflächen (7, 8) und die Vertiefungen mit den Oberflä chenkonturen der diesen Stützflächen (7, 8) zugeordneten Funktionsflächen (5, 6) durch Ultraschall-Schwingläppen mit einer entsprechend geformten, einteiligen Läppform (21) hergestellt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß an einer großflächigen Läppform (21) die Negativ kontur einer Vielzahl von Mikrosystembausteinen ausgebildet ist, daß die Läppform an ein entsprechend großflächiges Substrat abgeformt wird und abschließend das Substrat in die einzelnen Mikrobausteine zerteilt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die Funk tionsflächen (5, 6) und/oder die Stützflächen (7, 8) mit einem Elektronenstrahl poliert werden.