DE4406335A1

DE4406335A1 - Anordnung zur strahlteilenden Abzweigung oder zur wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht und Verfahren zur Herstellung der Anordnung

Info

Publication number: DE4406335A1
Application number: DE19944406335
Authority: DE
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2014-03-01
Also published as: DE4406335C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur strahlteilenden Abzweigung oder zur Wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 oder 2 und ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung.

Es sind zahlreiche optische Duplexer und Verzweiger bekannt, die sich in zwei Klassen teilen lassen. Entweder werden optische Wellenleiter über eine gewisse Strecke nahe beieinander geführt oder miteinander vereint und dann wieder auseinandergeführt, wobei sich das Licht auf die Ausgangszweige verteilt, oder das Licht wird über eine Mikrooptik auf eine Filterschicht gelenkt, die die gewünschte Strahlaufteilung hervorbringt. Ein Vorteil der ersten Möglichkeit besteht darin, daß keine mikrooptischen Systeme benötigt werden, die mit hoher Präzision gefertigt und justiert werden müssen. Ein Nachteil ist, daß für eine Wellenlängentrennung die parallel geführten benachbarten Wellenleiter mit Toleranzen im Submikrometerbereich strukturiert werden müssen. Die Wellenlängentrennung über Filterschichten, wie in der zweiten Klasse der Vorschläge verwirklicht, ist dagegen wesentlich einfacher und flexibler an verschiedenen Wellenlängen anzupassen. Nachteilhaft ist hier die hohe erforderliche Präzision der Mikrooptik. Auch die Kombination dieser beiden Klassen, die die Vorteile beider Klassen ausnutzt, ist bekannt. Hier wird ein optischer Wellenleiter aufgetrennt mit einer Filterschicht versehen, die das Licht in einen abzweigenden Wellenleiter umlenkt.

Trotz der Vorteile, die die Kombination der beiden Klassen von Lösungen bringt, bleiben nach dem Stand der Technik noch Nachteile, die hauptsächlich in der Präzision bei der Anbringung der Filterschicht begründet liegen.

Aus der EP 192 850 A1 ist ein monolithisch integriertes optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem Lichtwellenleiter und einem optoelektronischen Empfänger auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Substrats bekannt. Es ist eine Öffnung vorgesehen, die den Wellenleiter in zwei Teile teilt und an dessen Flanke, die beschichtet ist, Licht aus dem Wellenleiter reflektiert wird, das dann durch das Substrat tritt und auf den Empfänger trifft.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zur strahlteilenden Abzweigung oder zur wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht anzugeben, die einfach hergestellt werden kann und keine Justage notwendig macht. Außerdem soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren angegeben werden.

Die Aufgabe wird durch Anordnungen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen 3 bis 8 angegeben. Entsprechende Verfahren sind den Ansprüchen 9 bis 11 zu entnehmen.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung für zwei Wellenlängen mit einem Empfänger, wobei Empfänger und Wellenleiter aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind,

Fig. 2 eine entsprechende Anordnung, wobei Empfänger und Wellenleiter auf einer Substratseite angeordnet sind,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Keil,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Faser und

Fig. 5 eine Draufsicht auf obige Anordnung.

In Fig. 1 ist ein lichtdurchlässiges Substrat 1 zu sehen. Auf das Substrat 1 ist ein optischer Wellenleiter 2 aufgebracht, der mit Mantelschichten 3 umgeben ist. Der Wellenleiter ist in diesem Beispiel ein Streifenleiter, kann aber auch eine Lichtleitfaser sein. Zur Herstellung der wellenlängenselektiven bzw. strahlteilenden Abzweigung wird quer zur Lichtausbreitungsrichtung im Wellenleiter 2 erfindungsgemäß eine Öffnung 4 angebracht, die die ganze Tiefe der lichtführenden Schicht 2 durchdringt. Je nach Art des Wellenleitermaterials wird die Öffnung 4 erzeugt. Bei plastisch verformbaren Wellenleitermaterialien, wie zum Beispiel PMMA, kann die Öffnung durch Prägen mit einem Prägestempel, der härter ist als der Wellenleiter, hergestellt werden. Bei härteren bzw. nicht duktilen Materialien wie zum Beispiel Wellenleiter aus Siliziumoxinitrid kann die Öffnung durch bekannte Plasmaätzverfahren erzeugt werden. Besteht der Lichtwellenleiter aus einer Lichtleitfaser, so kann die Öffnung durch Sägen mit einem entsprechend geformten Sägeblatt erzeugt werden. Bei Verwendung von Lichtleitfasern als Wellenleiter werden diese in ihrer Position auf der Trägeroberfläche durch bekannte Verfahren, wie zum Beispiel anisotrop geätzte V-Nuten in einem Siliziumträger, festgelegt. Wichtig ist hierbei, daß die Haltestruktur zum Substrat hin mit einer ebenen, parallel zur Substratoberfläche liegenden Fläche abschließt. Die Öffnung 4 weist mindestens eine ebene geneigte Flanke oder Seitenfläche 5 auf, die mit einer Filterschicht 6 beschichtet ist und einen Neigungswinkel hat, der im Bereich um 45° liegt. Die Neigung der zweiten Seitenfläche 8 ist beliebig, beispielsweise auch senkrecht. Durch die Öffnung wird der Lichtwellenleiter 2 in zwei Abschnitte 20 und 21 geteilt. An einem der beiden Zweige, beispielsweise Zweig 20, ist die Übertragungsfaser angeschlossen und an den anderen Zweig 21 die Sendefaser. Aus der Übertragungsfaser kommt Licht des Empfangssignals mit der Wellenlänge λ₁, und aus der Sendefaser Licht des Sendesignals mit der Wellenlänge λ₂. Das aus der Übertragungsfaser kommende Empfangslicht wird am Filter 6 auf der geneigten Seitenfläche 5 der Öffnung 4 zum Substrat hin abgelenkt und durchdringt die Mantelschicht 3 und das Substrat 1 bis es auf der anderen Seite des Substrates in die dort montierte Photodiode 7 trifft. Das Sendelicht wird im Zweig 21 des Wellenleiters geführt und trifft von dort auf die andere Seite 8 mit der Schicht 9 der Öffnung 4. Die Schichten 9 und 6 sind so gestaltet, daß sie die Sendewellenlänge durchlassen. Hierzu kann die Schicht 9 entweder eine Antireflexionsschicht für die Sendewellenlänge sein oder die gleiche Schicht wie die Filterschicht 6, was bei einer gemeinsamen Herstellung der beiden Schichten 6 und 9 von Vorteil wäre. Die Öffnung 4 ist mit einem für die Sendewellenlänge transparenten Material 10 ausgefüllt, das den gleichen Brechungsindex n_k besitzt, wie der Wellenleiter 2. Dieses Material kann beispielsweise ein Kleber oder Kunststoff sein, der im flüssigen Zustand eingefüllt wird und sich dann verfestigt. Die Filtereigenschaften der beiden Filterschichten 6 und 9 sind so ausgelegt, daß die gewünschten Filtereigenschaften für den Brechungsindex n_k der dem Filter benachbarten Materialien erreicht werden. Wäre die Öffnung nicht mit einem Material mit dem Brechungsindex n_k ausgefüllt, so würde das Sendelicht durch die Brechungen an den beiden Seitenflächen der Öffnung so abgelenkt werden, daß es nicht mehr in der Schicht 20 geführt werden könnte. Durch die Auffüllung der Öffnung wird Lichtbrechung unterdrückt und gleichzeitig die Strahlaufweitung beim Austritt aus dem Wellenleiterzweig 21 vermindert, so daß der Strahl beim Auftreffen auf den Wellenleiterzweig, 20 nur wenig aufgeweitet ist und daher ein hoher Koppelwirkungsgrad auch ohne Hinzufügung einer Abbildungsoptik erreicht wird.

Wenn die Filterschicht zur Trennung des Sende- und Empfangssignals nicht auf der der Übertragungsfaser zugewandten Seitenfläche 5 sondern auf der gegenüberliegenden Seitenfläche 8 aufgebracht ist, wird das Empfangslicht nicht zum Substrat hin sonder vom Substrat weggelenkt. In diesem Fall wird die Photodiode 7 auf der Mantelschicht 3 des Wellenleiters 2 angebracht. In diesem Fall wäre der Lichtweg zur Photodiode kürzer, so daß die Strahlaufweitung bis zur aktiven Fläche der Photodiode kleiner ist und deshalb eine sehr kleinflächige Photodiode, die für höhere Frequenzen geeignet ist, eingesetzt werden kann. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 2 dargestellt.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 muß zur Herstellung der Filterschichten 6 und 9 das ganze Trägerplättchen beschichtet werden bzw. die nicht zu beschichtenden Flächen müssen während des Beschichtungsvorganges abgedeckt werden. Dies ist eine unrationelle Fertigungsmethode für die Beschichtung, da eine wesentlich größere Fläche beschichtet wird, als tatsächlich gebraucht wird. Um eine rationellere Beschichtung und gleichzeitig eine einfachere Montage zu erreichen, wird das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel vorgeschlagen. Die Öffnung 4 wird hier wie oben beschrieben hergestellt. Das Material zur Ausfüllung der Öffnung wird hier aber nicht in flüssiger Form in die Öffnung eingefüllt, sondern es wird ein Keil 40 hergestellt, der in die Öffnung 4 hineinpaßt. Vorzugsweise ist dieser Keil 40 auf seiner Basisfläche mit einem Plättchen 41 versehen, um die Handhabung zu erleichtern und um eine bessere Ausrichtung des Keils in der Öffnung zu erreichen. Die Filterschichten 6 und 9 werden hier nicht auf die Seitenflächen der Öffnung sondern auf dem Keil aufgebracht. Da der Keil wesentlich kleiner ist als die Trägerplatte 1 können in einem Beschichtungsvorgang sehr viele Keile gleichzeitig beschichtet werden. Die Keile können durch ein gebräuchliches Massenproduktionsverfahren wie zum Beispiel durch Spritzgußtechnik hergestellt werden, wobei die Urform beispielsweise durch MIGA-Technik erzeugt werden kann. (MIGA: Mikrogalvanische Abformtechnik).

Die Abformtechnik erlaubt darüberhinaus in besonders vorteilhafter Weise, Wellenleitervorstrukturen in Form kleiner Gräben von entsprechend rippenförmig vorgeformten Primärstrukturen abzuformen. Wird dies beispielsweise durch Reaktionsgießen geeigneter optischer Polymermaterialien realisiert, kann der fertig beschichtete, keilförmige Einsatz 40 als Umlenkelement paßgenau zu den Wellenleitervorstrukturen eingegossen werden, wobei sich ein anschließenden Befüllen der grabenförmigen WL-Strukturen mit optisch höherbrechendem Kernpolymer automatisch die Schrägen WL-Endflächen auf der beschichteten keilförmigen Oberfläche des Umlenkelementes ausbilden. Eine separate Einpassung und Indexmatching entfällt in dieser Ausführungsform.

Die erfindungsgemäße Lösung schließt auch Einwellenlängen- Betrieb (λ₁ = λ₂) ein. Hier ist das nahe Übersprechen naturgemäß größer als beim Zweiwellenlängen-Betrieb. Um nahe Übersprechdämpfung zu erhöhen, kann man einen Böschungswinkel der Flanken 5 und 8 wählen, der von 45° abweicht.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem der Fig. 1 vom optischen Aufbau. Jedoch handelt es sich bei dem Wellenleiter um eine Faser 2, die in einer Nut 30 in einem Substrat 1 liegt. Die Öffnung 4 teilt die Faser in zwei Teile 20, 21. Die Endflächen der heile der Faser sind nicht geneigt, sondern stehen senkrecht zur Faserachse. In die Öffnung 4 wird ein Keil 40 eingebracht, der geneigte Seitenflächen aufweist. Auf einer Seitenfläche befindet sich die Schicht 6. Zwischen den Endflächen der Teile 20, 21 der Faser 2 und dem Keil 40 sind Zwischenräume entstanden. Diese werden mit einem transparenten Material mit dem Brechungsindex n_k der Faser ausgefüllt. Dies kann beispielsweise ein indexangepaßter Kleber sein, der vom Keil verdrängt wird und sich dann verfestigt. Die Nut 30 in der die Faser 2 liegt sollte am Boden flach sein, damit das an der Schicht reflektierte Licht ohne Zerstreuung auf die Photodiode 7 trifft. Der Keil 40 kann beispielsweise pyramiden- oder pyramidenstumpfförmig sein. Es können zur axialen Festlegung des Keils 40 komplementäre Strukturen 50, 50′ an Keil 40 bzw. Plättchen 41 und Substrat 1 vorgesehen sein, die durch anisotropes Ätzen herstellbar sind (siehe Fig. 5).

Claims

1. Anordnung zur strahlteilenden Abzweigung oder zur wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht aus einem oder in einen Wellenleiter (2), der sich auf einem Substrat (1) befindet, mit einer Öffnung (4), die den Wellenleiter (2) in zwei Teile (20, 21) teilt und die zumindest eine geneigte Flanke (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der geneigten Flanke (5) eine wellenlängenselektive oder teilreflektierende Schicht (6) vorgesehen ist,
daß die Öffnung (4) mit einem transparenten Material (10) ausgefüllt ist,
und daß das transparente Material (10) einen Brechungsindex aufweist, der dem des lichtführenden Bereichs des Wellenleiters (2) entspricht.

2. Anordnung zur strahlteilenden Abzweiung oder zur wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht aus einem oder in einen Wellenleiter (2), der sich auf einem Substrat (1) befindet, mit einer Öffnung (4), die den Wellenleiter (2) in zwei Teile (20, 21) teilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (4) mit einem transparenten Material (10) ausgefüllt ist, und daß das transparente Material (10) einen Brechungsindex aufweist, der dem des lichtführenden Bereichs des Wellenleiters (2) entspricht, daß ein Keil (40) aus transparentem Material mit dem Brechungsindex n_k vorgesehen ist, der in die Öffnung (4) eingebracht ist und daß der Keil (40) zumindest eine geneigte Flanke (5) aufweist, die mit einer wellenlängenselektiven oder teilreflektierenden Schicht (6) versehen ist und die im Strahlengang zwischen den beiden Teilen (20, 21) des Wellenleiters (2) angeordnet ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Wellenleiter (2) um einen Streifenleiter handelt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Wellenleiter (2) um eine Lichtleitfaser handelt, die im Substrat (1) fixiert ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein optoelektronischer Sender vorgesehen ist und am Substrat (1) derart fixiert ist, daß das ausgesendete Licht auf die Schicht (6) und von dort in den Wellenleiter (2) trifft.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein optoelektronischer Empfänger (7) vorgesehen ist, der mit einer lichtempfindlichen Fläche auf dem Substrat (1) derart fixiert ist, daß Licht aus dem Wellenleiter (2), das an der Schicht (6) reflektiert wird, auf die lichtempfindliche Fläche trifft.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) lichtdurchlässig ist und daß sich der optoelektronische Sender oder Empfänger (7) auf der dem Wellenleiter (2) abgewandten Substratseite auf dem Substrat angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Sender oder Empfänger (7) über der mit transparentem Material (10) gefüllten Öffnung (4) angeordnet ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Substrat (1) mit einem Wellenleiter (2) eine Öffnung (4) mittels Ätzen, Sägen oder Prägen hergestellt wird, daß die geneigte Flanke der Öffnung (4) beschichtet wird und anschließend die Öffnung (4) mit einem transparenten Material (10) ausgegossen wird, das sich dann verfestigt.

10. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Substrat (1) mit einem Wellenleiter (2) eine Öffnung (4) mittels Ätzen, Sägen oder Prägen hergestellt wird, daß ein in die Öffnung (4) passender Keil (40) aus transparentem Material hergestellt wird, daß eine geneigte Flanke des Keils (40) beschichtet wird und der Keil (40) in die Öffnung (4) eingebracht wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) mittels Abformtechnik Wellenleitervorstrukturen und Öffnung (4) realisiert werden, daß der Keil (40) paßgenau eingegossen wird und anschließend die Wellenleitervorstrukturen befüllt werden.