DE19610881B4

DE19610881B4 - Mikrosystembaustein

Info

Publication number: DE19610881B4
Application number: DE19610881A
Authority: DE
Inventors: Vitalij Dr. Lissotschenko; Joachim Hentze
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2016-03-21
Also published as: US20010043779A1; CN1152270C; IL124796A0; US6621631B2; CA2239866A1; JP3995026B2; US20020102071A1; EP0888569A1; JP2000501518A; CN1203675A; DE19610881A1; KR19990071946A; AU1368897A; WO1997021126A1; US6416237B2

Abstract

Mikrosystembaustein (1) für die Verwendung in mikrooptischen Systemen, bestehend aus einem Körper (2), an dessen Oberflächen mindestens eine Funktionsfläche (5, 6) und mindestens zwei Stützflächen (7, 8) zum Anbau an angrenzende Komponenten (9) eines Mikrosystems vorgesehen sind, wobei
die Stützflächen (7, 8) im Bereich von zwei nach außen vorstehenden Oberflächenbereichen des Körpers (2) angeordnet sind, wobei der erste dieser beiden Oberflächenbereiche diametral gegenüberliegend zu dem zweiten dieser beiden Oberflächenbereiche ist, wobei
in den Stützflächen (7, 8) Formschlußelemente (7a, 8a; 50) zum Eingriff in korrespondierende Formschlußelemente (10a; 51) an den angrenzenden Komponenten (9) vorgesehen sind, und wobei
die Funktionsflächen (5, 6) in gegenüber den Stützflächen (7, 8) in Richtung auf das Innere des Körpers (2) zurückstehenden Bereichen der Oberfläche des Körpers (2) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Formschlußelemente (7a, 8a; 50) eine größere Länge als Breite aufweisen und daß die Längsrichtung der Formschlußelemente (7a,...

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrosystembaustein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Diese Mikrosystembausteine sollen in erster Linie in der Mikrooptik verwendet werden, um Lichtquellen und Lichtleiter miteinander zu verbinden oder den Lichtstrahl am Ende eines Lichtleiters oder am Austritt einer Lichtquelle in besonderer Art und Weise zu formen, beispielsweise zu bündeln, 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 beispielsweise aus der WO 92/06046 A1 bekannt. Eine dort beschriebene 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 gerundeten 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 Gestalt hat. Solche mikrooptischen Linsen, die als Kollimatoren für Diodenlaser gedacht sind, sind beispielsweise aus der US-PS 5 181 224 bekannt. Diese vorbekannten Kollimatoren lassen sich beispielsweise nur mit erheblichem Meßaufwand 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 Komponenten anzuschließen. Schließlich besteht bei diesen mikrooptischen Linsen die Gefahr, daß die konvex vorstehenden, optisch wirksamen Grenzflächen, die sehr empfindlich sind, beim Transport, der Handhabung und der Montage der mikrooptischen Linse beschädigt werden.
Aus W. B. Archey et al.: „Low loss optical coupler", in IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 22, No. 12, S. 617 bis 619 sind Mikrosystembausteine der eingangs genannten Art bekannt. Diese Mikrosystembausteine dienen zur Einkopplung des Lichts einer LED in eine Lichtleitfaser. Einer dieser Mikrosystembausteine weist auf zwei diametral gegenüberliegenden Seiten Stützflächen aus, die mit ringförmigen Vorsprüngen versehen sind. Diese Vorsprünge können in entsprechende Ausnehmungen angrenzender Komponenten eingreifen und so eine sichere und passgenaue Verbindung zwischen den Komponenten ermöglichen.
Aus der DE 40 34 010 A1 ist ein aus zwei Linsen zusammengesetztes Objektiv bekannt, bei dem eine jede der Linsen als Mikrosystembaustein angesehen werden kann. Jede dieser Linsen weist auf ihrer der jeweils anderen Linse zugewandten Seite eine Stützfläche mit einem ringförmigen Vorsprung beziehungsweise einer entsprechenden Ausnehmung auf. Vorsprung und Ausnehmung greifen zur passgenauen Verbindung der Linsen ineinander.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Mikrosystembaustein der eingangs genannten Art zu schaffen, der äußerst paßgenau und exakt reproduzierbar an angrenzenden Komponenten eines Mikrostruktursystems angeschlossen werden kann, wobei Beschädigungen der angrenzenden Komponenten und der empfindlichen Funktionsflächen des Mikrosystembausteines vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mikrosystembaustein der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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 dementsprechend gut gegen Beschädigung durch Berührung geschützt. Sie kommen bei der Montage auch nicht mit den angrenzenden Komponenten in Berührung, so daß Beschädigungen der angrenzenden Komponenten, beispielsweise Beschädigungen am empfindlichen Emitter von Diodenlaser, zuverlässig vermieden werden. Dadurch, daß die Stützflächen in Bezug auf die Funktionsflächen bereits von der Fertigung her mit engsten Toleranzen maßhaltig angeordnet sind, wird die maßhaltige Montage des Bausteines außerordentlich erleichtert. Hierzu brauchen nämlich lediglich die Stützflächen an dem Baustein in der richtigen Relation zu den Gegenflächen an den angrenzenden Komponenten angeordnet zu werden. Stimmt diese maßliche Relation, so stimmt automatisch auch die Anordnung der Funktionsfläche relativ zu den angrenzenden Komponenten, vorausgesetzt natürlich, daß deren Gegenstützflächen ebenfalls entsprechend maßhaltig angeordnet sind.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß in den Stützflächen Formschlußelemente zum Eingriff in korrespondierende Formschlußelemente an den angrenzenden Komponenten 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 kann vorgesehen sein, daß die Funktionsflächen und/oder die Stützflächen glatt poliert ausgebildet sind. Durch Polieren dieser Flächen werden aus Rauhigkeit der Oberflächen herrührende Maßabweichungen vermieden. Die Maßrelationen 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 Material besteht und die Funktionsflächen als optisch wirksame Grenzflächen ausgebildet sind. Unter Optik werden nachstehend 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, Germanium, 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 beispielsweise als konkav oder konvex gewölbte Linsenoberflächen ausgebildet sein, wobei alle aus der Makrooptik bekannten 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 angeordnet 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 Funktionsfläche eine Vielzahl von Funktionselementen in Form von Linsen und/oder Prismen und/oder Beugungslinien und/oder reflektierenden Flächen anzuordnen. Auf diese Weise können sogenannte Linsenarrays auf einem einzigen mikrooptischen Baustein hergestellt werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn an dem Körper an diametral gegenüberliegenden Seiten Funktionsflächen angeordnet sind, deren Funktionselemente durch den Körper hindurch optisch korreliert sind. Hierdurch ist es möglich, an einem solchen mikrooptischen Baustein optische Systeme zu installieren, die das durchtretende Licht auf die verschiedenste Art und Weise formen und weiterleiten.
Ein nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikrooptischer Baustein kann beispielsweise als refraktiver Kollimator ausgebildet sein, der an einen Diodenlaser anschließbar 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 abgerundet ist. Weiterhin ist der Scheitelwinkel des Prismas größer als der Emissionswinkel orthogonal zur Längserstreckung des Emitters des Diodenlasers. Schließlich ist die dem Emitter des Diodenlasers gegenüberliegende Funktionsfläche als Zylinderfläche ausgebildet, deren Zylinderachse 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 Apertur von beispielsweise 0,68 bei der Verwendung von Quarzglas und kann infolgedessen das von dem Diodenlaser ausgestrahlte Licht fast vollständig kollimieren. Auch dieser refraktive Kollimator hat über die Funktionsflächen vorstehende Stützflächen.
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 Funktionsfläche. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsen verlaufen 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 Mikrosystembaustein ein, trifft auf den gegenüber angeordneten asphärischen 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 aufzunehmen und fokussiert in einen Lichtwellenleiter einzukoppeln. Dieser reflektive optische Koppler hat über die Funktionsflächen vorstehende Stützflächen.
Ein weiterer nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter Mikrosystembaustein kann beispielsweise als optische Leiterplatte ausgebildet sein, durch die mindestens zwei optoelektronische Halbleiterbausteine aneinander anschließbar 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 eingangsseitig angeschlossenen optoelektronischen Halbleiterbaustein (IOE Chip) emittierten Lichtstrahl über eine erste Linse aufzunehmen und den Verlauf des Lichtstrahls innerhalb der optischen Leiterplatte mittels der Spiegel derart zu lenken, daß der Lichtstrahl durch eine zweite Linse aus der optischen Leiterplatte heraustritt und auf einen ausgangsseitig angeschlossenen zweiten optoelektronischen Halbleiterbaustein trifft. Die beiden optoelektronischen Halbleiterbausteine sind so zum Zwecke des Datenaustausches miteinander optisch verschaltet. Durch den Einsatz entsprechender wellenselektiver Strahlweichen ist es möglich, mehrere optoelektronische Halbleiterbausteine bidirektional miteinander zu verschalten. Durch den Einsatz einer Vielzahl von Linsen und Spiegeln in den optischen Leiterplatten können auch kompliziertere dreidimensionale optische Verbindungsstrukturen realisiert werden. Diese optische Leiterplatte hat über die Funktionsflächen vorstehende Stützflächen.
Ein ebenfalls nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikrooptischer Baustein kann beispielsweise als wellenselektive Strahlweiche an eine Lichtquelle, einen Lichtempfänger und einen Lichtwellenleiter angeschlossen werden. Hierzu weist die der Lichtquelle und dem Lichtwellenleiter zugewandte Funktionsfläche ein Funktionselement mit wellenselektiven Eigenschaften auf, die dazu führen, daß das Funktionselement je nach Wellenlänge der einfallenden Lichtstrahlen reflektives oder refraktives Verhalten aufweist. Ein von der Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl wird von dem wellenselektiven Funktionselement derart reflektiert, 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 wellenselektive 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 über die Funktionsflächen vorstehende Stützflächen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen als refraktiver Kollimator ausgebildeten Mikrosystembaustein mit angeschlossenem Diodenlaser;
2 einen horizontalen Längsschnitt durch den Mikrosystembaustein gemäß 1;
3 eine perspektivische Darstellung des Mikrosystembausteines gemäß 1 und 2;
4 eine perspektivische Darstellung eines Mikrosystembausteines mit Formschlußelementen in den Stützflächen zum Eingriff in korrespondierende Formschlußelemente an angrenzenden Komponenten;
5 eine perspektivische Darstellung zweier hintereinander angeordneter Zylinderlinsenarrays;
6 eine perspektivische Darstellung eines Mikrosystembausteines mit optisch korrelierten diametral gegenüberliegenden Funktionsflächen;
7 eine Seitenansicht eines als reflektiver optischer Koppler ausgebildeten Mikro-systembausteines;
8 eine Draufsicht des Mikrosystembausteines aus 7;
9 einen Längsschnitt durch einen als optische Leiterplatte ausgebildeten Mikrosystembaustein;
10 einen Längsschnitt durch einen als wellenselektive Strahlweiche ausgebildeten Mikrosystembaustein;
11 schematisch im Schnitt den Läppvorgang zum Herstellen einer Rohform eines Mikrosystembausteines aus einem Substrat;
12 schematisch im Schnitt den Läppvorgang zum Herstellen einer Rohform mehrerer auf der optisch wirksamen Grenzflächen nebeneinander angeordneter Funktionselemente aus einem Substrat und
13 schematisch im Schnitt das Polieren der optisch wirksamen Grenzflächen mittels Elektronenstrahl.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist ein Mikrosystembaustein gemäß der Erfindung für die Verwendung in mikrooptischen Systemen in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Mikrosystembaustein 1 ist als refraktiver Kollimator ausgebildet. 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 versehen, 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 Gegenformschlußelemente 10a in den Gegenstützflächen 10 an den angrenzenden optischen Komponenten 9 eingreifen.
Wie aus den 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 Funktionsflächen 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 Mikrosystembaustein 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 3 ist der oben beschriebene Mikrosystembaustein 1 perspektivisch dargestellt.
In 4 ist ein als refraktiver Kollimator ausgebildeter Mikrosystembaustein 1 dargestellt, dessen Stützflächen 7, die an eine optische Komponente 9 grenzen, mit Vorsprüngen 50 versehen sind. Diese Vorsprünge 50 greifen in korrespondierende Vertiefungen 51 an der angrenzenden Komponente 9 ein. Dies ermöglicht es, den Mikrosystembaustein 1 in y- und z-Richtung genau justiert an der angrenzenden Komponente 9 festzulegen, ohne daß es für die Justage aufwendiger Messungen bedarf.
In 5 sind zwei Mikrosystembausteine 1 dargestellt, auf deren Funktionsflächen jeweils eine Vielzahl von Funktionselementen in Form von Zylinderlinsen angeordnet sind. Die beiden Mikrosystembausteine 1 bilden je ein Zylinderlinsenarray 60 und 61. Die Zylinderachsen der einzelnen Zylinderlinsen der Zylinderlinsenarrays 60 und 61 verlaufen parallel zueinander. An ihren Stützflächen 7 grenzen die beiden Zylinderlinsenarrays 60 und 61 mit einander zugewandten 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 hindurchtretenden Lichtstrahlenbündels zu erzielen.
6 zeigt einen Mikrosystembaustein 1, an dessen Körper 2 an diametral gegenüberliegenden Seiten Zylinderlinsenarrays 70 bzw. 71 angeordnet sind, die durch den Körper 2 hindurch optisch korreliert sind. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsenarrays 70 und 71 verlaufen in einem rechten Winkel zueinander.
7 zeigt einen als reflektiven optischen Koppler ausgebildeten 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 Zylinderspiegel 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 Zylinderlinse 83 aus dem Körper 2 heraus und wird schließlich in einen ebenfalls nicht dargestellten Lichtwellenleiter eingekoppelt, 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 emittierte Lichtband zu fokussieren und in den Lichtwellenleiter einzukoppeln. In 8 ist eine Draufsicht des reflektiven optischen Kopplers aus 7 dargestellt.
9 zeigt einen als optische Leiterplatte ausgebildeten Mikrosystembaustein 1, der an zwei optoelektronische Halbleiterbausteine 90 und 91 angeschlossen ist und diese miteinander 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 optischen Leiterplatte ausgebildet. Die optische Verschaltung geht derart vor sich, daß der erste optoelektronische Halbleiterbaustein 90 einen Lichtstrahl 92 aussendet, der über eine erste Linse 93 in den Körper 2 der optischen Leiterplatte 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 Halbleiterbausteine 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 optoelektronischen Halbleiterbausteine 90 und 91 realisierbar.
10 zeigt einen als wellenselektive Strahlweiche ausgebildeten Mikrosystembaustein 1. Dieser ist an eine Lichtquelle 102, einen Lichtempfänger 107 und einen Lichtwellenleiter 105 angeschlossen. Die der Lichtquelle 102 und dem Lichtwellenleiter 105 zugewandte Funktionsfläche 6 weist ein Funktionselement 101 mit wellenselektivem Verhalten auf. Als Lichtquelle 102 wird ein Diodenlaser eingesetzt. Der Emitter des Diodenlasers 102 sendet ein Lichtband 103 aus, welches an dem wellenselektiven Funktionselement 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 wellenselktive Strahlweiche wird eine bidirektionale optische Datenübertragung über einen Lichtwellenleiter 105 ermöglicht.
In den 11 bis 13 ist das Herstellungsverfahren für die Herstellung von Mikrosystembausteinen 1 gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Der erste Schritt des Herstellungsverfahrens 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 11 ist dieses Ultraschall-Schwingläppen zur Herstellung einer Rohform eines einzelnen Mikrosystembausteines 1 schematisch dargestellt. Die Läppform ist mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet. Sie weist an ihrer dem Substrat 20 zugewandten Oberfläche einen Negativabdruck der herzustellenden 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 Hartstoffkörner enthält.
Für den Läppvorgang wird die mit der Schleifmittelschicht 22 versehene Läppform 21 mit mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt und gegen das Substrat 20 gedrückt. Dabei wird das Material des Substrates 20 durch eine ungerichtete Zerspanung abgetragen. Sobald die Läppform 21 mit den Flächenbereichen 7, 8 des Substrates 20 in Berührung kommt, wird der Abtragungsvorgang abgebrochen. Im Ergebnis bildet sich an dem Substrat 20 ein exakter positiver Abdruck der Läppform 21 aus. Auf diese Weise ist es möglich, die geforderten Strukturen an der Oberfläche des herzustellenden Mikrosystembausteines 1 mit großer Maßhaltigkeit herzustellen.
12 zeigt die Herstellung mehrerer auf einem großflächigen Substrat nebeneinander angeordneter Funktionselemente 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 Schwingungen 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-Elektronenstrahl 43 poliert. Dieser Schritt ist in 13 dargestellt. Die dort abgebildete Elektronenkanone zur Herstellung 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 Rechteckbandes 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 Oberfläche über die Tiefe der vorhandenen Rauhigkeiten ange schmolzen wird, und zwar jeweils so weit, daß die vorhandenen Rauhigkeiten sich durch die Oberflächenspannungen der Schmelze ausgleichen.

Claims

Mikrosystembaustein (1) für die Verwendung in mikrooptischen Systemen, bestehend aus einem Körper (2), an dessen Oberflächen mindestens eine Funktionsfläche (5, 6) und mindestens zwei Stützflächen (7, 8) zum Anbau an angrenzende Komponenten (9) eines Mikrosystems vorgesehen sind, wobei die Stützflächen (7, 8) im Bereich von zwei nach außen vorstehenden Oberflächenbereichen des Körpers (2) angeordnet sind, wobei der erste dieser beiden Oberflächenbereiche diametral gegenüberliegend zu dem zweiten dieser beiden Oberflächenbereiche ist, wobei in den Stützflächen (7, 8) Formschlußelemente (7a, 8a; 50) zum Eingriff in korrespondierende Formschlußelemente (10a; 51) an den angrenzenden Komponenten (9) vorgesehen sind, und wobei die Funktionsflächen (5, 6) in gegenüber den Stützflächen (7, 8) in Richtung auf das Innere des Körpers (2) zurückstehenden Bereichen der Oberfläche des Körpers (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschlußelemente (7a, 8a; 50) eine größere Länge als Breite aufweisen und daß die Längsrichtung der Formschlußelemente (7a, 8a; 50) in dem ersten Oberflächenbereich senkrecht zu der Längsrichtung der Formschlußelemente (7a, 8a; 50) des zweiten Oberflächenbereichs ist.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsflächen (5, 6) und/oder die Stützflächen (7, 8) glatt poliert ausgebildet sind.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) aus optisch durchlässigem Material besteht und die Funktionsflächen (5, 6) als optisch wirksame Grenzflächen ausgebildet sind.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Funktionsflächen konkav oder konvex gewölbte Linsenoberflächen ausgebildet sind.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Funktionsflächen gegeneinander geneigte ebene Flächen zur Bildung von Prismen angeordnet sind.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Funktionsflächen Beugungslinien oder Beugungsgitter angeordnet sind.
Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsflächen ganz oder teilweise mit einer spiegelnden Beschichtung überzogen sind.
Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, 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.
Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Körper (2) an diametral gegenüberliegenden Seiten Funktionsflächen (5, 6) angeordnet sind, deren Funktionselemente durch den Körper (2) hindurch optisch korreliert sind.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er als refraktiver Kollimator ausgebildet ist, der an einen Diodenlaser (11) anschließbar ist, daß die dem Emitter des Diodenlasers (11) zugewandte Funktionsfläche (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 Emissionswinkel 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.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er als reflektiver optischer Koppler ausgebildet ist, der zwischen einen Diodenlaser und einen sich anschließenden Lichtwellenleiter einsetzbar ist, daß an den Funktionsflächen (5, 6) jeweils zwei Funktionselemente 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 Funktionsfläche (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.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 9, 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 innerhalb der optischen Leiterplatte ausgebildet sind.
Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 9, 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.