DE19818511A1 - Verfahren zum Verbinden einer Glasfaser mit einem otpischen Chip - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Glasfaser, die einen Fasermantel und einen Faserkern als Wellenleiter aufweist, mit wenigstens einer Wellenleiteranordnung auf einem optischen Chip, der eine Wellenleiteranordnung mit in eine oder mehrere Schicht(en) eingebettete Wellenleiterbahn auf einem Substrat aufweist, die bis zum Rand des Chips geführt sind, wird eine Glasfaser an die Wellenleiteranordnung herangeführt, so daß der Faserkern der Glasfaser an einer Stoßstelle der Wellenleiterbahn der Wellenleiteranordnung auf dem Chip gegenüberliegt. Die Wellenleiteranordnung wird über den Rand des Substrats hinaus in Abhängigkeit von der Ableitung von Wärmeenergie von der Stoßstelle in den Chip derart verlängert, daß die Wärmeableitung den Schmelzvorgang nicht beeinflußt. An der Stoßstelle wird Wärmeenergie derart zugeführt, daß das Material der Wellenleiteranordnung mit dem Material der Glasfaser gleichmäßig verschmolzen wird, um die Wellenleiterbahn an den Faserkern anzukoppeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Glasfaser, die einen Fasermantel und einen Faserkern als Wellenleiter aufweist, mit wenigstens einer Wellenleiter­ anordnung auf einem optischen Chip, wobei die Wellenleiteran­ ordnung eine in eine oder mehrere Schichten eingebettete Wel­ lenleiterbahn(en) auf einem Substrat aufweist, die bis zu ei­ nem Rand oder mehreren Rändern des Chips geführt sind.

Wenn in optischen Geräten oder Modulen optische Chips einge­ setzt werden, müssen die Wellenleiter dieser Chips an Glasfa­ sern bzw. dem Faserkern der Glasfasern angekoppelt werden. Bei dieser Verbindung kommt es sowohl auf eine mechanische Stabilität als auch auf eine dämpfungsarme Kopplung zwischen den Wellenleitern auf dem Chip und in der Glasfaser an. Dies trifft insbesondere auf die Ankopplung von Glasfasern an planare Chips, das heißt optische Komponenten und Schaltun­ gen, die in einer Planartechnik aus Glas-, Keramik- oder Halbleitermaterial hergestellt sind, zu. Die genauen Anforde­ rungen für derartige Verbindungen bzw. Ankopplungen umfassen somit optische, mechanische und klimatische Kriterien, die in den Bellcore-Spezifikationen GR1208 Core (performance) und GR1221 Core (reliability) für passive optische Komponenten festgelegt sind.

Bisher hat man versucht, die vorstehend genannten Kriterien dadurch zu erfüllen, daß man die Glasfasern an den Chip mit Hilfe eines Kunststoffklebers angeklebt hat. Dazu werden die Glasfasern abgebrochen, so daß sich eine Bruchfläche von mög­ lichst genau 90° gegenüber der Längsausdehnung der Glasfaser ergibt. Die Leiterbahnen werden an den Rändern der Chipober­ fläche abgebrochen, so daß sich ebenfalls eine Bruchfläche von möglichst genau 90° ergibt. Daraufhin werden die Glasfa­ sern und die Wellenleiterbahnen aufeinander justiert und auf optimalen Abstand von wenigen um gebracht. Bei diesem Vorgang sind die Fasern in einer geeigneten Halterung fixiert. Als nächstes wird ein Klebstoff, beispielsweise ein thermisch- oder UV-aushärtender Kleber oder ein Zweikomponentenkleber, zwischen die Fasern und die Chipendfläche angebracht und an­ schließend ausgehärtet. Die Faserhalterung wird in einem Vor­ gang mitverklebt, um die mechanische Festigkeit der Verbin­ dung zu verbessern.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß an den Kle­ ber hohe Anforderungen gestellt werden müssen, um eine gute Haftung des Klebers auf den verwendeten Materialien, eine An­ passung der Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Mate­ rialien, eine gute optische Transparenz, das heißt ein mög­ lichst dämpfungsfreier Übergang von den optischen Signalen von der Glasfaser in die Wellenleiterbahnen und umgekehrt, und eine Langzeitstabilität bei den geforderten klimatischen Bedingungen erfüllt sein müssen, wobei letztere insbesondere bei Kunststoffen problematisch sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine Verbindung bzw. Ankopplung zwischen einer Glasfaser und einem optischen Chip hergestellt werden kann, wobei die erforderliche mechanische Festigkeit und eine geringe Dämp­ fung an der Stoßstelle zwischen Glasfaser und Chip gewährlei­ stet sein sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß an der Stoßstelle Wärmeenergie derart zugeführt wird, daß das Material der Wellenleiteran­ ordnung mit dem Material der Glasfaser gleichmäßig verschmol­ zen wird, um die Wellenleiterbahn an den Faserkern anzukop­ peln. Durch dieses Verfahren wird in vorteilhafter Weise eine mechanisch feste und optisch dämpfungsarme Verbindung zwi­ schen der Glasfaser und der Wellenleiterbahn auf dem Chip hergestellt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß keine Fremdmaterialien wie Kunststoff, beispiels­ weise Epoxydharz, zwischen dem Faserkern der Glasfaser und der Wellenleiterbahn der Wellenleiteranordnung auf dem Chip vorhanden ist. Durch die direkte Verschmelzung von Glas zu Glas werden daher eine Reihe von Problemen umgangen, die bei der oben erwähnten Klebetechnik vorhanden sind.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wellenleiteranordnung über den Rand des Substrats hinaus in Abhängigkeit von der Ableitung von Wärmeenergie von der Stoßstelle in den Chip derart verlängert, daß die Wärme­ ableitung den Schmelzvorgang nicht beeinflußt. Dadurch, daß die Wellenleiteranordnung über den Rand des Substrates hinaus verlängert wird, kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, daß bei der Verschmelzung des Endes der Glasfaser mit der Wellenleiteranordnung auf dem Chip die Wärmeableitung in das Substrat des Chips der Schmelzvorgang nicht beeinträch­ tigt wird. Mit anderen Worten wird die Länge, um die die Wel­ lenleiteranordnung über den Rand des Chips hinaus verlängert wird, in Abhängigkeit von der Ableitung von Wärmeenergie von der Stoßstelle in den Chip derart gewählt, daß die Wärmeab­ leitung den Schmelzvorgang nicht beeinträchtigt. Ferner wird durch die Verlängerung der Wellenleiteranordnung sicherge­ stellt, daß der Chip durch den Schmelzvorgang nicht beschä­ digt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Glasfasern einzeln mit den Wellenleiteranordnungen auf dem Chip gekoppelt. Damit kann man der Tatsache Rechnung tra­ gen, daß die Materialien der Wellenleiteranordnungen auf dem Chip möglicherweise unterschiedlich sind oder die Materialien der Glasfasern, die angekoppelt werden sollen, unterschied­ lich ausfallen. Ferner kann der Tatsache Rechnung getragen werden, daß die geometrischen Abmessungen der Glasfasern, die angekoppelt werden sollen, unterschiedlich sein können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Glasfasern in Gruppen an die Wellenleiteranordnung auf dem Chip angekoppelt, was eine rationellere Fertigungs­ weise mit sich bringt. In diesem Fall, wenn eine für die Ju­ stage verwendete Halterung mit verschmolzen wird, wird die mechanische Festigkeit erhöht der Verbindung.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmeenergie durch Laserstrahlen zugeführt. Bekannt­ lich kann die Wärmeenergie durch Laserstrahlen kurzzeitig, in bezug auf die Energie wohldefiniert und in bezug auf den Ort der Wärmezufuhr genau zugeführt werden. Mit diesen Eigen­ schaften der Laserstrahlen lassen sich Beschädigungen des Chips beim Aufschmelzen der Verbindung zwischen Glasfaser und Wellenleiteranordnung vermeiden, und die Stelle, an der der Schmelzvorgang stattfindet, kann genau definiert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Laserstrahlen von wenigstens zwei gegenüberliegen­ den Seiten auf die Stoßstelle gerichtet, um eine gleichmäßige Verschmelzung der Glasfaser mit der Wellenleiteranordnung auf dem Chip zu gewährleisten. Gerade bei Laserstrahlen besteht ansonsten die Gefahr, daß die Verschmelzung nicht gleichmäßig über der gesamten Stoßstelle erfolgt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmeenergie durch einen an der Stoßstelle erzeugten Lichtbogen zugeführt. Da der Lichtbogen die gesamte Stoß­ stelle überstreicht, wird hier eine besonders gleichmäßige Verschmelzung zwischen dem Ende der Glasfaser und der Wellen­ leiteranordnung auf dem Chip erreicht. Auch bei Lichtbogenan­ ordnungen kann die Energie, die über den Lichtbogen zugeführt wird, hinreichend gut gesteuert werden, um einerseits für eine gute Verschmelzung zu sorgen und andererseits eine Be­ schädigung des Chips durch Wärmeableitung zu vermeiden. Auch die Genauigkeit bei der Lichtbogen-Verschmelzungstechnik ist ausreichend für die Herstellung von Verbindungen zwischen Glasfasern und Wellenleiteranordnungen, deren Wellenleiter­ bahnen Breiten- und Höhenabmessungen im Mikrometerbereich ha­ ben.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an der Stoßstelle Wär­ meenergie zu der Stoßstelle gleichmäßig zugeführt wird, er­ gibt sich weiterhin der Vorteil, daß eine gleichmäßige Ver­ schmelzung des Endes der Glasfaser mit der Wellenleiteranord­ nung erfolgt. Würde die Wärmeenergie nur einseitig zugeführt, so würde die Stoßstelle nur auf der Seite befriedigend ver­ schmolzen werden, auf der die Wärmeenergie zugeführt wird, während auf der anderen Seite der Stoßstelle undefinierte Be­ dingungen bei der Verschmelzung vorherrschen könnten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der bei­ liegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Chip und eine Glasfaser vor dem Verschmelzungs­ vorgang;

Fig. 2 einen Chip und eine Glasfaser nach dem Verschmel­ zungsvorgang; und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Chips mit einer Wellenleiteranordnung, wie er bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren eingesetzt wird.

In Fig. 1 sind ein Substrat 2 und eine darauf ausgebildete Wellenleiteranordnung 4 sowie eine Glasfaser 6 schematisch im Schnitt darstellt. Das Substrat 2 und die Wellenleiteranord­ nung 4 sind Bestandteil eines planaren Chips, das heißt einer optischen Komponente oder Schaltung, die in Planartechnik auf Glas-, Keramik- oder Halbleitermaterial als Substrat 2 herge­ stellt ist. Die Glasfaser 6 hat einen Fasermantel 8 und einen Faserkern 10, der den Wellenleiter der Glasfaser 6 darstellt. Die Wellenleiteranordnung 4 hat eine Wellenleiterbahn 12, an die die Glasfaser 6 mit ihrem Faserkern 10 angekoppelt werden soll. Die Wellenleiterbahn 12 besteht aus Glas und hat einen Modenfelddurchmesser, der an den des Faserkerns 10 angepaßt ist, die beispielsweise als Singlemodenfaser ausgebildet ist.

Die Wellenleiterbahn 12 der Wellenleiteranordnung 4 ist zwi­ schen einer Basisschicht 14 und einer Deckschicht 16 einge­ bettet, die ebenfalls aus Glas bestehen.

Zur Durchführung des Verfahrens, wird, wie aus Fig. 1 zu er­ sehen ist, eine Glasfaser 6 an die Wellenleiteranordnung 4 herangeführt, so daß der Faserkern 10 der Glasfaser 6 einer Stoßstelle der Wellenleiterbahn 12 des Chips gegenüberliegt. Bei Heranführen der Glasfaser 6 an die Wellenleiteranordnung 4 wird eine Justage der Wellenleiterbahn 12 auf den Faserkern 10, das heißt eine Glasfaser-Chip-Justage, durchgeführt. Die Justage kann aktiv unter Berücksichtigung der optischen Transmission oder passiv durchgeführt werden. Derartige Ju­ stageverfahren sind aus der Ankopplung von Glasfasern unter­ einander bekannt.

Wenn der Chip mit der Wellenleiteranordnung 4 und die Glasfa­ ser 6 in der beschriebenen Weise positioniert sind, wird ein Lichtbogen 20 zwischen zwei Elektroden 22, 24 gezündet, der Wärmeenergie von zwei Seiten, das heißt von oben und unten in der in Fig. 1 gewählten Darstellung, der Stoßstelle zugeführt wird, so daß das Material der Wellenleiteranordnung 4 mit dem Material der Glasfaser 6 verschmolzen wird, um die Wellenlei­ terbahn 12 an den Faserkern 10 anzukoppeln.

Das Ergebnis des Ankopplungs- und Verbindungsverfahrens ist in Fig. 2 gezeigt. Wie dargestellt ist, geht der Faserkern 10 ohne Unterbrechung in die Wellenleiterbahn 12 über, so daß eine optimale optische Kopplung erzielt wird. Das Glasmate­ rial des Fasermantels 8 verschmilzt mit dem Glasmaterial der Schichten 14, 16, so daß auch hier eine gute mechanische Fe­ stigkeit erzielt wird. Andererseits liegt der Lichtbogen 20 genügend weit von dem Substrat 2 des Chips entfernt, so daß eine eventuelle Ableitung von Wärmeenergie von der Stoßstelle in das Substrat 2 des Chips den Schmelzvorgang nicht beein­ trächtigt.

Die Länge, um die die Wellenleiteranordnung 4 über den Rand des Chips bzw. das Substrat 2 hinaus verlängert werden sollte, um den vorgenannten Effekt zu erzielen, kann experi­ mentell bestimmt werden, indem man die Qualität der Ankopp­ lung sowohl nach optischen als auch mechanischen Kriterien für verschiedene Längen, um die die Wellenleiteranordnung über das Substrat 2 vorsteht, unter Berücksichtigung von Be­ schädigungen des Chips in Beziehung setzt. Bei zu geringer Länge werden häufiger Beschädigungen an dem Chip und Asymme­ trien bei der Verschmelzung der Glasfaser mit der Wellenlei­ teranordnung auftreten. Ab einer gewissen Länge werden keine Verbesserungen der optischen Ankopplung mehr feststellbar sein, jedoch die Gefahr besteht, daß mit zunehmender Länge die mechanische Festigkeit der Anordnung in dem optischen Mo­ dul beeinträchtigt wird. Man wird daher die kürzeste Länge wählen, bei der die mechanischen und optischen Eigenschaften der Ankopplung den Anforderungen entsprechen.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Ankopplung einer Glasfaser 6 an eine Wellenleiteranordnung 4 auf einem Chip. Es können jedoch auch Glasfasern an Gruppen von Wellen­ leiteranordnungen auf dem Chip angekoppelt werden. Wenn die Glasfasern 6 in Gruppen angekoppelt bzw. angeschmolzen wer­ den, erfolgt auch die Justage der Faser in Gruppen.

Ein Chip mit einem Substrat 2 und einer Vielzahl von Wellen­ leiteranordnungen 12, 12', 12'' usw. ist in Fig. 3 dargestel­ lt. Selbstverständlich ist die Zahl der Wellenleiterbahnen nicht auf drei beschränkt. In einem derartigen Fall können alle Wellenleiterbahnen 12, 12', 12'' usw. in einem Vorgang mit einer entsprechenden Zahl von Glasfasern 6 verbunden bzw. gekoppelt werden. Dabei werden dann die Glasfasern in einer Haltevorrichtung (nicht gezeigt) gehalten, die bei dem Ver­ binden der Glasfasern mit der Wellenleiteranordnung ebenfalls mit angeschmolzen wird, um die mechanische Stabilität der Verbindung zu verbessern.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zur Durchführung des Verfah­ rens verwendet Elektroden 22 und 24 zur Erzeugung eines Lichtbogens, wobei die Elektroden auf gegenüberliegenden Sei­ ten der Stoßstelle angeordnet sind, so daß der Lichtbogen die gesamte Stoßstelle erfaßt und eine gleichmäßige Verschmelzung der Faser mit der Wellenleiteranordnung stattfindet. Anstelle der Elektroden 22, 24 können auch Laserstrahlquellen einge­ setzt werden, die über entsprechende Laserstrahlen die Wärme­ energie an die Stoßstelle zuführen. Die Laserstrahlen können von gegenüberliegenden Seiten her auf die Stoßstelle gerich­ tet werden. Bei der Ankopplung von einzelnen Fasern an ein­ zelne Wellenleiterbahnen könnten auch mehr als zwei am Umfang um die Stoßstelle herum angeordnete Laserquellen verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit bei der Verschmelzung der Stoßstelle zu erhöhen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verbinden wenigstens einer Glasfaser, die einen Fasermantel und einen Faserkern als Wellenleiter aufweist, mit wenigstens einer Wellenleiteranordnung auf einem optischen Chip, der eine Wellenleiteranordnung mit in eine oder mehrere Schicht(en) eingebettete Wellenleiterbahn auf einem Substrat aufweist, die bis zum Rand des Chips geführt sind, wobei eine Glasfaser an die Wellenleiter­ anordnung herangeführt wird, so daß der Faserkern der Glasfaser an einer Stoßstelle der Wellenleiterbahn der Wellenleiteranordnung auf dem Chip gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stoßstelle Wärmeenergie derart zugeführt wird, daß das Material der Wellenleiteranordnung mit dem Material der Glasfaser gleichmäßig verschmolzen wird, um die Wellenleiterbahn an den Faserkern anzukoppeln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiteranordnung über den Rand des Substrats hinaus in Abhängigkeit von der Ableitung von Wärmeenergie von der Stoßstelle in den Chip derart verlängert wird, daß die Wärmeableitung den Schmelzvorgang nicht beeinflußt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern einzeln mit der Wellenleiteranordnung auf dem Chip gekoppelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern in Gruppen an die Wellenleiteranordnung auf dem Chip angekoppelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die Justage verwendete Halterung mitverschmolzen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie durch Laserstrahlen zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen von gegenüberliegenden Seiten auf die Stoßstelle gerichtet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie durch einen an der Stoßstelle erzeugten Lichtbogen zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden zur Erzeugung des Lichtbogens auf gegenüber­ liegenden Seiten der Stoßstelle angeordnet werden, wobei der Lichtbogen die gesamte Stoßstelle erfaßt.