DE60026891T2

DE60026891T2 - Aktive glasfaserausrichtung mit plastisch verformbarer halteeinrichtung

Info

Publication number: DE60026891T2
Application number: DE60026891T
Authority: DE
Inventors: C. Dale Lexington FLANDERS; S. Peter Lexington WHITNEY; Mona Cambridge MASGHATI; M. Livia Belmont RACZ
Original assignee: Axsun Technologies LLC
Current assignee: Axsun Technologies LLC
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: AU3634501A; CN1171104C; WO2001037023A3; WO2001037023A9; EP1230571A2; EP1230571B1; US6487355B1; DE60026891D1; US6625372B1; CN1390312A; WO2001037023A2

Description

Die Ausrichtung von Komponenten ist von kritischer Wichtigkeit bei der Herstellung von Halbleiter- und/oder MEMS ("Micro Electro-Mechanical Systems"; mikroelektromechanische Systeme)-basierten optischen Systemen. Die grundsätzliche Natur des Lichts bedingt, dass lichterzeugende, -übertragende und -verändernde Komponenten präzise zueinander positioniert sein müssen, insbesondere im Zusammenhang mit freiraum-optischen Systemen, um richtig zu funktionieren und in elektro-optischen oder allen optischen Systemen effektiv zu sein. Die Größenordnungs-Charakteristik von Halbleitern und MEMS kann eine Ausrichtungsgenauigkeit unterhalb des Mikrometer-Bereichs bedingen.
Nun wird das bestimmte Beispiel des Einkoppelns eines Halbleiter-Diodenlasers, wie beispielsweise eines Pumplasers, mit einem Faser- bzw. Wellenleiterkern einer Einzelmoden-Faser betrachtet. Nur die in den Faserkern eingekoppelte Leistung ist nutzbar, um eine folgende Verstärkungs-Faser, wie beispielsweise eine mit einer seltenen Erde dotierte Faser oder eine übliche Faser in einem Raman-Pumpschema, optisch zu pumpen. Die Einkopplungseffektivität hängt in hohem Maße von der genauen Ausrichtung zwischen der Laserausgabefläche bzw. -facette und dem Kern ab; eine ungenaue Ausrichtung kann zu einem teilweisen oder vollständigen Verlust der Signalübertragung durch das optische System führen.
Darüber hinaus benötigen solche Optiksysteme mechanisch robuste Montage- bzw. Befestigungs- und Ausrichtungs-Anordnungen. Während einer Herstellung sind die Systeme weiten Temperaturbereichen ausgesetzt, und Käuferspezifikationen können explizit ein Temperaturzyklus-Testen verlangen. Nach Auslieferung können die Systeme weiterhin Langzeit-Temperaturschwankungen und mechanischem Schock ausgesetzt sein.
Lötverbinden und Laserschweißen sind zwei übliche Befestigungs- bzw. Montagetechniken. Die Lötbefestigung optischer Komponenten kann erreicht werden mittels Durchführen einer Ausrichtung mit einer geschmolzenen Lötverbindung zwischen dem auszurichtenden Element und der Plattform oder dem Substrat, an welchem es zu befestigen ist. Das Lot wird dann verfestigt, um die Ausrichtung "einzuschließen" bzw. "einzufrieren". In einigen Fällen wird ein gewollter Versatz zur Ausrichtungsposition vor der Lötaushärtung hinzugefügt, um folgende Ausrichtungsverschiebungen aufgrund der Aushärtungsschrumpfung des Lots zu kompensieren. Im Fall des Laserschweißens wird die Faser beispielsweise in einer Klemme gehalten, welche dann am Halbleiterlaser ausgerichtet und so plaziert geschweißt wird. Die Faser kann dann weiter mit der Klemme verschweißt werden, um eine Ausrichtung entlang anderer Achsen zu erreichen. Neben- bzw. Hilfsschweißungen werden häufig verwendet, um Ausrichtungsverschiebungen aufgrund des Schweißens selbst zu kompensieren, aber so wie auch im Fall der Lötsysteme ist eine absolute Kompensation nicht möglich.
Weiterhin existieren zwei allgemeine Klassen von Ausrichtungsstrategien: aktive und passive. Typischerweise werden bei einer passiven Ausrichtung der optischen Komponenten Registrierungs- oder Ausrichtungsmerkmale direkt auf die Komponenten oder Komponententräger aufgebracht als auch auf die Plattform, auf welche die Komponenten zu montieren sind. Die Komponenten werden dann unter Verwendung der Ausrichtungsmerkmale direkt an der Plattform montiert bzw. mit dieser befestigt und verbunden. Bei der aktiven Ausrichtung wird ein optisches Signal durch die Komponenten übertragen und festgestellt bzw. detektiert. Die Ausrichtung wird auf der Grundlage der Übertragungscharakteristiken durchgeführt, um den höchstmöglichen Leistungspegel des Systems zu ermöglichen.
In WO 91/06022 wird eine Befestigung für optische Komponenten offenbart, welche einen ungefähr diamantförmigen Rahmenabschnitt umfasst und damit integriert einen geraden Fuß- bzw. Sockelabschnitt. In das Innere des Rahmens von seiner Ecke gegenüber dem Fußabschnitt ragt ein Vorsprung hinein. Der Vorsprung bzw. Stutzen hat eine Öffnung, welche eine Linse hält. Um die Position der Linse zu justieren, wird der Rahmen durch Anlegen einer externen Kraft mittels eines geeigneten Werkzeugs verformt. Die Verformung des Rahmens kann im wesentlichen auf zwei Wegen erfolgen: Entweder wird der Rahmen als Ganzes verzerrt oder die Verzerrung ist auf bestimmte Abschnitte des Rahmens beschränkt, wie beispielsweise auf die Eckabschnitte des Rahmens.
Eine alternative Ausführungsform einer Befestigung für optische Komponenten ist im wesentlichen eine umgekehrte T-Form, in welcher die Öffnung zum Montieren bzw. Befestigen der Linse am hinteren Ende des Stammes des T angeordnet ist und in welcher der Fußabschnitt durch den oberen Querbalken des T gebildet wird. Am nächsten zu dem Querbalken ist der Stamm durch zwei Versatzschlitze geschwächt, wobei zwischen den beiden Schlitzen eine Brücke ausgeformt ist, welche eine Zone mechanischer Schwäche bildet. Diese Brücke erlaubt eine Bewegung von links nach rechts durch eine Biegeverformung. Eine Bewegung hoch und runter des Bereichs oberhalb der Brücke bewirkt eine Scherverformung der Brücke. Währenddessen bewirkt eine Bewegung nach hinten und nach vorne eine Torsionsverformung der Brücke.
GB 2 296 100 A offenbart eine Lichtwellenleiter-Anschlussfaser-Injektionslasereinheit. Ein Ende einer optischen Faser bzw. eines Lichtwellenleiters wird mittels Befestigen der Faser an einem geschlitzten Stab in Ausrichtung mit einem Injektionslaser gehalten. Während eines ersten Ausrichtungsvorganges wird der geschlitzte Stab so gehandhabt, dass er die Faser in diejenige Position bringt, welche den maximalen Pegel der überwachten Leistung bringt. Dann wird die Position des Stabs mittels zweier Gleitelemente befestigt, welche nahe an den Stab heranbewegt und durch Schweißen befestigt werden. Nach diesem ersten Ausrichtungsvorgang wird ein zweiter Ausrichtungsvorgang durchgeführt, welcher "Wiederausrichtung" genannt wird. Dieser zweite Ausrichtungsvorgang wird mittels eines verformbaren Querschiebers durchgeführt. Dieser Querschieber wird mittels Laserschweißungen an einem Substrat befestigt. Nach dem Schweißen können der Querschieber und der Stab geeignet umpositioniert werden und zwar mittels Verformen der Querschieberarme durch Drücken der Anordnung über die elastische Grenze dieser Arme mittels eines geeigneten Werkzeugs.
In J. D. Knight et al.: "A Two-Axis Micropositioner for Optical Fiber Alignment", Hewlett-Packard Journal, US, Hewlett-Packard Co, Palo Alto; vol. 44, Nr. 6; 1. De zember 1993, Seiten 80–84, wird ein Mikropositioniergerät zur Lichtleitfaserausrichtung beschrieben. Dieses Mikropositioniergerät umfasst einen Fasermontagekragen, der an einem Innenrahmen befestigt ist. Der Innenrahmen ist an einem Außenrahmen befestigt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Fasermontagekragen und dem Innenrahmen wird durch Biegeelementverbindungen bereitgestellt, als auch durch die mechanischen Verbindungselemente zwischen dem Innenrahmen und dem Außenrahmen. Die Biegeelementverbindungen werden durch eine Fläche mit einem relativ zu den Segmenten des Innenrahmens und des Außenrahmens verringerten Querschnitt ausgeführt. Dieses Mikropositioniergerät umfasst zwei lineare Aktuatoren für die x-Achse und die y-Achse. Der Fasermontagekragen wird durch diese linearen Aktuatoren in der durch die x-Achse und die y-Achse definierten Ebene elastisch bewegt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das grundsätzliche Problem mit herkömmlichen Befestigungs- und Ausrichtungstechniken ist, dass sie inkompatibel zu Hochgeschwindigkeitsherstellungsabläufen sind, die in der Lage sind, ein durchgängig hochqualitatives Produkt zu ergeben. Eine passive Ausrichtung kann schnell durchgeführt werden, aber es existieren dabei typischerweise Probleme mit der Herstellung von Hochleistungsprodukten. Im Gegensatz dazu können aktive Ausrichtungsherstellungsabläufe über die Zeit gut optimiert werden, um die Hochleistungsgeräte zu erzeugen. Diese Abläufe sind jedoch typischerweise sehr langsam. Beispielsweise muss beim Laserschweissen die Halterung für die opitische Faser zuerst geschweisst werden. Die Schweissung muss dann abkühlen können, und dann muss die Ausrichtung überprüft werden. Dann kann ein folgendes Ausrichten notwendig sein, gefolgt von weiteren Abkühl- und Überprüfungszyklen.
Darüber hinaus sind diese herkömmlichen Techniken bei der Herstellung komplexerer optischer Systeme, die einen höheren Grad an Funktionalität bieten, schwierig anzuwenden. Beispielsweise ist das Laserschweissen erfolgreich verwendet worden, um das Ende einer optischen Faser mit einem einzelnen Laserdiodenchip in einem kleinen, d.h., weniger als 5 Zentimeter messenden Modul, zu verbinden.
Es wäre jedoch wünschenswert, mehr Funktionalitäten in Modulen ähnlicher Größe zu integrieren, wie beispielsweise Filter-, Multiplex-, Demultiplex- und/oder Schaltfunktionalitäten.
Die vorliegende Erfindung betrifft Befestigungs- und Ausrichtungsstrukturen für optische Komponenten, insbesondere mikrooptische Komponenten mit einer Grösse von typischerweise weniger als einem Millimeter. Die Strukturen werden vorzugsweise in nur-optischen, elektrooptischen und elektro-optischen-mechanischen Vorrichtungen/Subsystemen/Systemen eingesetzt. Diese Strukturen werden dazu verwendet, die optischen Komponenten mit einer optischen Platine oder optischen Bank zu verbinden. Die optischen Komponenten umfassen aktive Vorrichtungen, wie beispielsweise Laser, oder andere Vorrichtungen, die einen höheren Grad an Funktionalität bieten. wie beispielsweise integrierte Laser/MEMS-Elemente, z. B. aktive durchstimmbare Fabry-Perot-Vorrichtungen. Weiterhin sind optische Komponenten in anderen Umsetzungen passive Vorrichtungen wie beispielsweise Dünnfilme, Filter, Spiegel, doppelbrechendes Material, Polarisatoren, Kristalle, Prismen und/oder beispielsweise Beugungselemente. Im besonderen betrifft die Erfindung eine verallgemeinertes Montagesystem, das es optischen Komponenten erlaubt, mit einer optischen Bank verbunden zu werden, und dann folgend bei Herstellungs- oder folgenden Kalibrierungs- oder Neukalibrierungs-, oder Ausrichtungs- oder Neuausrichtungsabläufen ausgerichtet zu werden, d. h., entweder passiv oder aktiv,
Allgemein weist die Erfindung unter einem Gesichtspunkt eine Befestigungs- und Ausrichtungsstruktur für optische Komponenten auf. Die Strukturen umfassen typischerweise einen Quasi-Extrusionsteil. Dieser Teil ist in dem Sinne "quasi-extrudiert", dass er einen im wesentlichen konstanten Querschnitt in einer z-Achsen-Richtung aufweist, so wie man es in einem Extrusionsherstellungsablauf bekommen würde.
Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, die Strukturen durch Extrusion zu bilden. Beispielsweise werden die Strukturen in einer bevorzugten Ausführungs form unter Verwendung von Fotolithographie- und Metallisierungsabläufen, wie beispielsweise einer Metallgalvanisierung, hergestellt.
Erfindungsgemäß umfasst der Quasi-Extrusionsteil mindestens einen Träger mit einer sich seitlich erstreckenden Trägeroberfläche und eine Optikkomponentengrenzfläche. Mindestens ein Ankerteil verbindet die Optikkomponentengrenzfläche mit dem Träger.
Das Ankerteil umfasst zwei Anker mit zwei Paaren von Biegeelementen. Das Biegeelemente ist typischerweise ein Bereich des Ankers, der eine verringerte Querschnittsfläche aufweist. Die Biegeelemente sind durch ein sich seitlich erstreckendes Segment oder durch ein sich vertikal erstreckendes Segment des Ankers getrennt.
Das Vorsehen der sich vertikal und senkrecht erstreckenden Segmente erlaubt die Handhabung und folgende Ausrichtung der optischen Komponente auf der Struktur in einer zweidimensionalen x-y-Ebene mit minimaler Verbindung zwischen Ausrichtungen entlang der x-Achse und Ausrichtungen entlang der y-Achse.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Trägeroberfläche an einer optischen Bank befestigbar. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Trägeroberfläche mittels Lötverbindens an einer optischen Bank befestigt, wie beispielsweise durch Lötverbinden mit Gold/Zinn im Verhältnis von 80/20, oder durch eutektisches Löten. In alternativen Ausführungsformen werden jedoch auch Laserschweissen, Epoxy-Verbinden, Ultraschallverbinden und Haft/Guss-Verbinden verwendet.
In einer Ausführungsform umfasst die Trägeroberfläche ferner Ausrichtungsmerkmale die angepasst sind, mit Ausrichtungsgegenmerkmalen der optischen Bank ineinanderzugreifen. Diese passive Ausrichtungstechnik wird dazu verwendet, eine anfängliche Positionierung der Ausrichtungsstruktur auf der optischen Bank zu vereinfachen. In der bevorzugten Ausführungsform werden optisch wahrnehmbare Ausrichtungsmerkmale oder Markierungen verwendet, um die Strukturen auf der Bank zu positionieren.
Abhängig von der Umsetzung sind ein oder zwei Träger vorgesehen. In Zwei-Träger-Aufbauten sind sie typischerweise auf beiden Seiten einer Mittelachse der Struktur angeordnet.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Grenzfläche einen Anschluss, der es ermöglicht, ein optisches Signal durch den Quasi-Extrusionsteil hindurchzuführen. Dies ermöglicht einen optischen Zugang zu einer an der optischen Komponentengrenzfläche installierten optischen Komponente. In einigen Umsetzungen wird ein optisches Signal von der optischen Komponente reflektiert, um zurück durch den Anschluss zu laufen. In anderen Umsetzungen durchquert das optische Signal die optische Komponente, beispielsweise im Fall einer Linse.
In anderen Umsetzungen ist die Grenzfläche als eine offene Klemme oder als u-förmiger Ausschnitt konfiguriert. Diese Konfiguration ist nützlich zum Montieren optischer Komponenten, wie beispielsweise optischer Fasern, an eine Bank.
Auch ist bevorzugt ein Griff vorgesehen um ein Greifen und Handhaben der Ausrichtungsstruktur zu erleichtern. In einer Umsetzung ist der Griff mit der Optikkomponentengrenzfläche integral ausgeführt. In anderen Ausführungsformen sind Griffe integral mit dem Anker/den Ankern und/oder integral mit dem Träger/den Trägern vorgesehen.
Die oben genannten und weiteren Merkmale der Erfindung einschließlich neuer Details des Aufbaus und Kombinationen von Teilen als auch andere Vorteile werden nun in Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben und in den Ansprüchen aufgezeigt. Es sollte klar sein, dass das bestimmte Verfahren und die Vorrichtung, welche die Erfindung verkörpern, zu Zwecken der Darstellung gezeigt sind und nicht als Beschränkung der Erfindung. Die Prinzipien und Merkmale dieser Erfindung können in verschiedenen und vielfältigen Ausführungsformen verwendet werden, ohne vom Umfang der angehängten Ansprüche abzuweichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den zugehörigen Zeichnungen beziehen sich Bezugszeichen durch die gesamten Abbildungen hindurch auf gleiche Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht; vielmehr liegt die Betonung auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung. Zu den Zeichnungen:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Montage- und Ausrichtungsstruktur;
2 ist eine Draufsicht von vorne des ersten Ausführungsbeispiels einer Montage- und Ausrichtungsstruktur;
3A ist eine perspektivische Ansicht, welche ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Montage- und Ausrichtungsstruktur zeigt;
3B ist eine Draufsicht von vorne, welche die Dimensionen der zweiten Ausführungsbeispielsstruktur zeigt;
4A ist eine Draufsicht von vorne, welche ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Montage- und Ausrichtungsstrukturen zeigt;
4B ist eine perspektivische Ansicht, welche ein zugehöriges Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Montage- und Ausrichtungsstrukturen zeigt;
5 ist eine Draufsicht von vorne, welche ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Montage- und Ausrichtungsstrukturen zeigt;
6A und 6B sind Draufsichten von vorne, welche das fünfte Ausführungsbeispiel der Montage- und Ausrichtungsstruktur und ihre Aufstellung zum Montieren bzw. Befestigen einer zweiten optischen Komponente in der Nähe einer anderen optischen Komponente zeigt, 6C ist eine perspektivische Explosionszeichnung, welche einen MEMS-Filter zum Befestigen an dem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt;
7A, 7B, 7C sind Querschnittsansichten der Galvanisierungs- und Lithographie-Vorgänge, welche zum Herstellen der ertindungsgemäßen Montage- und Ausrichtungsstrukturen verwendet werden;
8A–8F zeigen ein Vorgehen zum Herstellen von Montage- und Ausrichtungsstrukturen, welche nicht-konstante Querschnitte entlang einer z-Achse für Bereiche der Strukturen aufweisen;
9A, 9B sind perspektivische Darstellungen, welche die Ablaufschritte zeigen, die zum Installieren optischer Komponenten an den Montage- und Ausrichtungsstrukturen gehören und Montage- und Ausrichtungsstrukturen an der optischen Bank;
10 ist eine perspektivische Zeichnung gemäß der Erfindung einer laseroptischen Signalquelle, welche einen Strahl in eine optische Faser bzw. einen Lichtwellenleiter einkoppelt, welcher von einer Montage- und Ausrichtungsstruktur gehalten wird;
11 ist ein Ablaufdiagramm, das gemäß der Erfindung einen aktiven Ausrichtungsvorgang für das optische System zeigt;
12 ist eine perspektivische Sicht von oben, welche die Klemmbacken eines Ausrichters zeigt, welche sich im Eingriff mit dem Griff einer Montage- und Ausrichtungsstruktur befinden, um die Struktur während eines Ausrichtungsablaufs zu verformen;
13 ist eine Zeichnung von Kraft und optischer Antwort auf der vertikalen Achse als einer Funktion der Verschiebung oder der Dehnung auf der horizontalen Achse, welche den erfindungsgemäßen Ausrichtungsablauf zeigt;
14 ist eine Zeichnung der Kraft entlang der y-Achse als einer Funktion der Verschiebung, welche die Randbedingungen bzw. Begrenzungen bei der Auswahl der Fließkraft zeigt;
15 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein siebtes Verbundstruktur-Ausführungsbeispiel zeigt;
16 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Fertigungslinie für optische Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
17A, 17B und 17C sind Teilansichten der Montage- und Ausrichtungsstrukturen, welche drei unterschiedliche Anordnungen für die Ausrichtungskanäle zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Montage- und Ausrichtungsstruktur-Anordnung
1 zeigt eine beispielhafte Montage- bzw. Befestigungs- und Ausrichtungsstruktur, die gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Allgemein umfasst die Ausrichtungsstruktur 100 einen Träger 110, eine Schnittstelle bzw. Grenzfläche 112 für optische Komponenten und linke und rechte Anker 114A, 114B, welche den Träger 110 mit der Grenzfläche 112 entweder direkt oder indirekt verbinden.
Der Träger 110 umfasst eine sich seitlich erstreckende Trägeroberfläche 116. In dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die Trägeroberfläche 116 allgemein in einer Ebene der x- und z-Achsen.
Der Träger/die Trägeroberfläche umfasst Ausrichtungsmerkmale. In einigen Beispielen sind diese Merkmale daran angepasst, mit Gegen-Ausrichtungsmerkmalen einer optischen Bank ineinanderzugreifen. In der bestimmten dargestellten Aus führung werden die Ausrichtungsmerkmale von einem System zum maschinellen Sehen verwendet, um sie mit Ausrichtungsmarkierungen oder -merkmalen einer Bank in Übereinstimmung zu bringen. Insbesondere umfassen die Ausrichtungsmerkmale einen breiten U-förmigen Ausschnittsbereich 120. Weiterhin sind drei weibliche Ausrichtungskanäle 118 vorgesehen, die sich entlang der gesamten Tiefe der Struktur in Richtung der z-Achse ausdehnen. Der U-förmige Ausschnittsbereich 120 hat den zusätzlichen Vorteil, dass er die Kontaktfläche und dadurch eine Spannung an der Schnittstelle bzw. Grenzfläche zwischen der Struktur und der Bank oder einer anderen Oberfläche, mit welcher sie verbunden ist, minimiert.
In der gezeigten Ausführung umfasst jeder der Anker 114A, 114B zwei Segmente 122 und 124. Insbesondere und beispielhaft umfasst Anker 114B zwei Segmente 122B und 124B.
Die sich vertikal erstreckenden Segmente 122A, 122B, das heisst, sich mindestens teilweise in Richtung der x-Achse erstreckend, haben in dem gezeigten Beispiel zwei Biegeelemente 126A, 126B entlang ihrer Länge angeordnet. Diese Biegeelemente sind Bereiche verringerter Querschnittsfläche in den Segmenten, wobei die Bereiche sich in Richtung der z-Achse erstrecken. Die sich vertikal erstreckenden Segmente 122 vereinfachen das Positionieren einer optischen Komponente, welche an der Grenzfläche 112 installiert ist, entlang der x-Achse; die Biegeelemente 126A, 126B erleichtern das Drehen bzw. Verschwenken der Segmente 122A, 122B in einer durch die x- und y-Achsen aufgespannten Ebene. Ein Zweck der Biegeelemente ist es, Bereiche einer Mikrostrukturveränderung zu isolieren, so wie sie beispielsweise bei einer plastischen Verformung auftritt, um beispielsweise die Fließkräfte einfach vorhersagbar zu machen. Auch lokalisieren die Biegeelemente eine Verformung der Anker und verringern folgerichtig die Größe der in der optischen Komponente benötigten Kraft/Verschiebung, bevor eine plastische Verformung in dem Anker erzeugt wird.
Die sich horizontal erstreckenden (das heisst, das sich in Richtung der x-Achse erstreckende) Segmente 124A, 124B umfassen in dem gezeigten Beispiel jeweils zwei Biegeelemente 128A, 128B. Diese Biegeelemente sind ebenfalls Gebiete verringerter Querschnittsfläche in den entsprechenden Segmenten, wobei die Biegeelemente sich in Richtung der z-Achse erstrecken.
Die sich horizontal erstreckenden Segmente 124A, 124B erlauben das Positionieren einer optischen Komponente, welche an der Grenzfläche 112 für optische Komponenten befestigt ist, allgemein vertikal entlang der y-Achse. Eine Verformung des Ankers wird durch entsprechende Biegeelemente 128A, 128B erleichtert.
In einer Ausführung ist die optische Komponente mit der Grenzfläche 112 für optische Komponenten verbunden und insbesondere mit der Verbindungsoberfläche 132. Diese Verbindung wird erreicht entweder mittels Polymer-Klebeverbinden oder vorzugsweise durch Lötverbinden. In anderen Ausführungen werden Thermo-Kompressionsverbinden, Laserschweißen, Reaktives Verbinden oder andere Verbindungsverfahren verwendet.
In dem gezeigten Beispiel umfasst die Komponenten-Grenzfläche weiterhin Strukturkomponenten-Ausrichtungsmerkmale 113. In dem gezeigten Beispiel umfassen die Strukturkomponenten-Ausrichtungsmerkmale Schlitze, die sich von der Komponenten-Verbindungsoberfläche 132 in Richtung der z-Achse erstrecken. Als ein Ergebnis befinden sich die zugehörigen männlichen Vorsprünge bzw. Überstände einer optischen Komponente in Eingriff mit den Schlitzen 113, um die optische Komponente über dem optischen Anschluss 134 sowohl entlang der x-Achse als auch der y-Achse anzuordnen und auszurichten.
In einigen Ausführungen umfasst die Grenzfläche für optische Komponenten einen Anschluss 134, um zu ermöglichen, dass ein optisches Signal schräg durch die Struktur läuft. Dies ermöglicht einen optischen Zugang zu der optischen Komponente durch Vereinfachen der Ausbreitung eines optischen Signals zu und/oder von der Komponente.
Um das Greifen und die Bestückung der Struktur 100 zu vereinfachen, ist zusätzlich ein Griff 136 an der Struktur vorgesehen. In dem gezeigten Beispiel umfasst der Griff 136 zwei V- oder U-förmige Ausschnittsbereiche auf jeder Seite in der Nähe des oberen Endes der Struktur. In dem gezeigten Beispiel sind sie mit der Grenzfläche 112 für optische Komponenten integriert ausgeführt.
Der Griff 136 erlaubt die Handhabung der Struktur 100, wenn sie mit der Bank 10 verbunden ist. Insbesondere wird der rechte Ausschnitt beispielsweise betätigt, um die Struktur beispielsweise zur Linken zu verschieben. Um die Struktur vertikal oder in Richtung der y-Achse zu verschieben, werden beide Ausschnitte betätigt, um es der Struktur zu ermöglichen, nach unten zur Bank 10 gedrückt zu werden oder davon weggezogen zu werden.
Um das Greifen und die Befestigung bzw. Installation an der Bank weiter zu vereinfachen, sind an jedem Anker Auskragungsbereiche 121A, 121B vorgesehen. Dazu werden beheizte Unterdruck-Spannvorrichtung verwendet, um eine Handhabung der Struktur und ein folgendes Aufheizen für ein Lötverbinden zu ermöglichen. Der kurze Abstand zwischen den Auskragungen 121 und der Trägeroberfläche 116 erleichtert eine gute Wärmeübertragung.
2 ist eine Draufsicht von vorne auf die erste Ausführungsform der in 1 gezeigten Montage- und Ausrichtungsstruktur 100. Diese Ansicht zeigt den Aufbau der linken und rechten Anker 114A, 114B und insbesondere, wie die Anker aus entsprechenden, sich horizontal erstreckenden Segmenten 124 und sich vertikal entsprechenden Segmenten 122 aufgebaut sind.
Auch gezeigt ist die Ausdehnung der Verbindungsoberfläche 132. Typischerweise wird ein Lötmaterial zunächst auf die Oberfläche 132 aufgegeben. Später werden die optischen Komponenten und/oder Strukturen aufgeheizt und in Kontakt miteinander gebracht, um das Lötverbinden zu bewirken. In anderen Ausführungen werden Epoxydharz-Verbindungsabläufe verwendet, in welchen zunächst Epoxydharz auf die Oberfläche 132 aufgegeben wird.
3A zeigt ein zweites Beispiel der Montage- und Ausrichtungsstruktur. Dieses Beispiel zeigt eine Zahl gleicher Merkmale mit dem ersten, in den 1 und 2 gezeigten Beispiel. Insbesondere hat die Montageoberfläche 116 schlitz-ähnliche Ausrichtungskanäle 118 zum optischen Ausrichten.
In Bezug auf die Anker 114A, 114B sind sich vertikal erstreckende Bereiche 122A, 122B gleichartig zum ersten Beispiel vorgesehen. Jedoch sind zwei sich horizontal erstreckende Bereiche 154, 155, auf jeder Seite jedes Ankers der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 vorgesehen. Insbesondere umfasst der Anker 114B zwei sich horizontal erstreckende Segmente 154B, 155B, welche sich allgemein von dem sich vertikal erstreckenden Bereich 122B zur Grenzfläche 112 für optische Komponenten erstrecken. Insbesondere verbindet ein Verbindungsbereich 158B die distal gelegenen Enden beider sich horizontal erstreckender Bereiche 154B, 155B mit den sich vertikal erstreckenden Bereichen 122B des Ankers 114B.
Das zweite Ausführungsbeispiel aus 3A zeigt einen weiteren Aufbau bzw. Konfiguration für die Grenzfläche 112 für optische Komponenten. Insbesondere umfasst die Grenzfläche 112 für optische Komponenten des zweiten Beispiels einen V- oder U-förmigen Ausschnittsbereich oder Schlitz 152, welcher sich in Richtung der z-Achse durch die Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 erstreckt. Dieser Aufbau mit offenem Schlitz erlaubt es einer Faser, als F schematisch dargestellt, vertikal in Richtung des Pfeils 159 in den Schlitz 152 hinein eingebaut zu werden. In der typischen Ausführung wird die Faser F dann im Boden des Schlitzes mit der Oberfläche 132 verbunden. Lötverbinden wird vorzugsweise verwendet, aber es existieren Alternativen, wie beispielsweise ein Epoxydharz-Verbinden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Tiefe des Schlitzes relativ zu den Stellen der Befestigungspunkte des Ankers so ausgelegt, dass jedem Schwenken bzw. Schütteln als Antwort auf Kräfte entlang der z-Achse, die mittels der Faser auf die Struktur ausgeübt werden, widerstanden wird. Insbesondere ist eine gewisse Bewegung als Antwort auf Kräfte in Richtung der z-Achse unvermeidbar. Die Schlitztiefe wird jedoch so gesteuert, dass die Faserachse sich als Antwort auf diese Kräfte nicht bewegt.
In alternativen Ausführungsbeispielen werden die Griffe 136 betätigt bzw. befinden sich im Eingriff, und die U-förmigen Schlitze sind durch Anlegen einer Kraft entlang des Pfeils 157 quetsch-geschlossen, um die optische Komponente, wie beispielsweise eine Faser, zu sichern.
3B zeigt beispielhafte Abmessungen des dritten Ausführungsbeispiels. Insbesondere beträgt die Höhe h des gezeigten Beispiels 1,1 Millimeter (mm). Allgemein weist die Struktur typischerweise eine Höhe größer als 0,5 mm auf, um eine Handhabung zu begünstigen. Um einen geeigneten Abstand in Standardverpackungen vorzusehen, sind die Strukturen typischerweise nicht höher als 2,0 mm. Die Weite bzw. Breite w der gezeigten Struktur beträgt 1,9 mm. Auch hier beträgt die Breite vorzugsweise mehr als 0,5 mm, um eine stabile Befestigung an der Bank zu vereinfachen. Um akzeptable Komponenten-Packdichten und einen akzeptablen Abstand zwischen den Komponenten bereitzustellen, ist eine Breite w von typischerweise weniger als 4 mm wünschenswert.
4A zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem der Träger in zwei unterschiedliche Trägerbereiche 110A, 110B unterteilt ist, um eine stabile Grenzfläche von Struktur und Bank zu begünstigen, während gleichzeitig die Kontaktfläche, welche Versatzspannungen aufgrund einer Wärmeausdehnung unterworfen ist, minimiert wird. Um die Vorrichtung während einer Herstellung der Struktur und während ihres Einbaus an der optischen Bank robuster zu machen, verbindet ein federähnliches Verbindungselement 310 die beiden Hälften des Trägers 110A, 110B. Dieses Element wird vor einer Installation angeklemmt oder bewusst zusammengelegt bzw. -geklappt.
4B zeigt ein damit zusammenhängendes Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen. Dieses Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass der Winkel zwischen sich vertikal erstreckenden Segmenten 126 und den sich horizontal erstreckenden Segmenten 124 einen stumpfen Winkel bildet. Bei einigen Anwendungen erleichtert dieser Aufbau eine Ausrichtung.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, das mit dem dritten Beispiel aus 4 eng zusammenhängt. Hier umfasst die Grenzfläche für optische Komponenten zwei unterschiedliche geteilte Bereiche 112A, 112B. In dieser Ausführungsform wird eine optische Komponente, wie beispielsweise ein Lichtwellenleiter bzw. eine optische Faser f, in den Volumenbereich zwischen den beiden Hälften 112A, 112B der Grenzfläche eingeführt. Die zwei Hälften 112A, 112B werden um die Faser F herum einschnappend bzw. -rastend geschlossen.
6A zeigt eine Montage- und Ausrichtungsstruktur zum Montieren einer relativ großen MEMS-Filtervorrichtung, einer gegenwärtigen Implementierung.
Insbesondere weist das fünfte Ausführungsbeispiel für eine Montage- und Ausrichtungsstruktur einen geteilten Träger 110A, 110B auf. Von jedem Träger aus erstrecken sich entsprechende Anker 114A, 114B. Die Anker umfassen jeweils einen sich vertikal erstreckenden Abschnitt 122A, 122B und einen sich horizontal erstreckenden Abschnitt 124A, 124B. Die Grenzfläche 112 für optische Komponenten ist relativ groß und dazu ausgelegt, eine optische Komponente zu halten, welche beispielsweise auf der Montagefläche 132 montiert ist. Der Griff 136 ist in diesem Beispiel integral mit der Grenzfläche ausgebildet.
6B zeigt die Anordnung des fünften Ausführungsbeispiels für eine Ausrichtungsstruktur 100B mit einer der oben diskutierten Ausrichtungsstrukturen 100A. Bei einer typischen Installation und Ausrichtung wird die Montage- und Ausrichtungsstruktur 100A zunächst an einer optischen Bank 10 installiert. Die Ausrichtungsstruktur wird dann in einem aktiven Ausrichtungsablauf verformt, beispielsweise so, dass die optische Komponente richtig relativ zum optischen Pfad angeordnet wird. Auf die Ausrichtung der von der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100A gehaltenen optischen Struktur folgt, dass die Montagestruktur 100B mit ihrer eigenen optische Komponente installiert wird. Dann wird die zweite Ausrichtungsstruktur 100B in einem aktiven Ausrichtungsablauf abgestimmt, beispielsweise so, dass die zweite optische Komponente richtig in dem optischen Pfad angeordnet ist. Die relativen Größenunterschiede zwischen der Ausrichtungsstruktur 100A und der Ausrichtungsstruktur 100B erlaubt Ausrichtungsabfolgen ihrer zugehörigen optischen Komponenten, obwohl die optischen Komponenten nahe beieinander auf der Bank 10 montiert sind.
Montagestruktur-Herstellung
Die 7A bis 7C sind Querschnittsansichten der Montage- und Ausrichtungsstrukturen 100 während des Herstellungsablaufs.
Insbesondere, wie in 7A gezeigt, wird eine dicke PMMA-Abdeckschicht 414 an einer Keim/Freigabe-Schicht 412 auf einem Substrat 410 befestigt.
Die Tiefe d der PMMA-Schicht 414 bestimmt die maximale Dicke des im folgenden hergestellten quasi-extrudierten Bereichs der Montage- und Ausrichtungsstruktur. Als ein Ergebnis bestimmt die Dicke die Steifigkeit der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 bezüglich Kräften entlang der z-Achse. Die Tiefe und daraus folgende Dicke entlang der z-Achse der Montage- und Ausrichtungsstrukturen liegt im Bereich von 500 bis 1000 μm. Dickere Strukturen werden typischerweise für verformungsentlastungsartige Strukturen verwendet. Gemäß der vorliegenden Abläufe sind die Strukturen, und daraus folgend die Tiefe der PMMA-Schicht bis zu 2000 μm tief, um Strukturen der gleichen Dicke herzustellen.
7B zeigt den nächsten Herstellungsschritt der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100. Insbesondere wird die dicke PMMA-Abdeckschicht durch Belichtung mit kollimierten Röntgenstrahlen belichtet. Insbesondere wird eine Maske 416, welche entweder eine positive oder eine negative Maske mit dem gewünschten Muster für die Struktur ist, zwischen die Röntgenquelle, wie beispielsweise ein Synchrotron und die PMMA-Schicht 414 plaziert. Die PMMA-Schicht 414 wird dann in die gemusterte Schicht 414A entwickelt, wie in 7B gezeigt.
7C zeigt die Bildung des quasi-extrudierten Bereichs der Montagestruktur 100. Insbesondere wird der quasi-extrudierte Bereich mittels Galvanisierung gebildet. Das Galvanisierungsmetall ist Nickel. Nickelverbindungen, wie beispielsweise ein Nickel-Eisen-Verbundwerkstoff, werden in alternativen Beispielen verwendet. Alternativ werden Gold oder eine Goldverbindung in weiteren Beispielen verwendet. Zur Zeit umfassen alternative Metalle und Verbindungen: Silber, Silberverbindungen, Nickel-Kupfer, Nickel-Kobalt, Gold-Kobalt und Verbindungen bzw. Verbundwerkstoffe, welche mit kollodialen bzw. gallertartigen Oxydpartikeln bestückt sind, um die Mikrostrukturen zu befestigen.
Die 8A bis 8F zeigen einen Herstellungsablauf der x-Achsen-Biegeelemente 422, welche weiter unten in Bezug auf 15 beschrieben werden. Insbesondere, wie in 8A gezeigt, wird nach der Bildung des quasi-extrudierten Bereichs der Montage- und Ausrichtungsstruktur das Substrat 410 von der Keimschicht 412 entfernt. Danach wird eine zusätzliche Fotolack-Schicht 420 aufgebracht und dann, wie in 8B für eine Platte des z-achsigen Biegeelements gezeigt, strukturiert bzw. gemustert. Danach wird ein weiterer Galvanisierungsschritt durchgeführt, um die Platte des z-Achsen-Biegeelements 422 an dem bestehenden Abschnitt 100 mit gleichbleibendem Querschnitt herzustellen.
In 8D wird ein zweiter Fotolack gebildet und dann auf der Rückseite der Struktur 100 und der ersten PMMA-Schicht 414 strukturiert bzw. gemustert. Das Ätzen wird durch die Keimschicht 412 durchgeführt. Ein weiterer Galvanisierungsschritt wird durchgeführt, und die zweite Platte des Biegeelements 428 entlang der z-Achse wird wie in 8E gezeigt hergestellt. Danach werden, wie in 8F gezeigt, die übriggebliebene Fotolackschicht 424, Keimschicht 412 und PMMA-Schicht 414 entfernt, was die gezeigte hohlkastenförmige Struktur übrig lässt.
Installation Befestigungsstruktur-Optikkomponenten-Bank
9A zeigt den mit dem Installieren bzw. Einbauen von optischen Komponenten an der optischen Bank 10 zugeordneten Ablauf.
Die Bank ist aus einem mechanisch widerstandsfähigen, chemischen stabilen und temperaturstabilen Material hergestellt, wie beispielsweise aus Silizium, Berylliumoxyd, Aluminiumnitrid, Aluminium-Silizium-Karbid oder Beryllium-Kupfer. Sie ist typischerweise ein Metall oder eine Keramik, die beispielsweise mit Gold oder einer Goldverbindung beschichtet ist.
Insbesondere wird in Schritt 450 eine optische Komponente 20 auf einer ersten Montage- und Ausrichtungsstruktur 100-1 installiert. Insbesondere wird die optische Komponente 20 mit der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100-1 verbunden. Lötverbinden wird verwendet, bei welchem zunächst Lot seitlich der optischen Komponente und/oder der Verbindungsoberfläche 132 der Grenzfläche 112 für optische Komponenten aufgebracht wird. Dann wird die optische Komponente in Kontakt mit der Montageoberfläche 132 der Komponenten-Grenzfläche 112 der Struktur gebracht. Das Lot wird dann geschmolzen und wieder verfestigt.
Auch erleichtern in der bevorzugten Ausführungsform zusätzliche Ausrichtungsmerkmale in der optischen Komponente 20 und der Grenzfläche 112 eine Ausrichtung und den richtigen Sitz zwischen der Komponente 20 und der Struktur 100-1. Insbesondere werden Ausrichtungskanäle 113 (siehe 1 und 2) an der Grenzfläche der Struktur gebildet. Markierungen oder Vorsprünge bzw. Überstände 450 an der optischen Komponente 20 werden in Eingriff mit den Schlitzen 113 gebracht, um eine wiederholbare Installation bzw. Einbau der Komponente 20 auf der Struktur 100-1 zu gewährleisten.
In anderen Ausführungsformen wird die Komponente 20 mit der Struktur Epoxydharz-verbunden oder unter Verwendung einer anderen Klebeverbindungstechnik verbunden.
Dann wird in einem Struktur-Bank-Montageschritt 452 die Struktur 100-1 in Kontakt mit der optischen Bank 10 gebracht und mit der Bank verbunden. Lötverbinden wird verwendet, bei welchem die Bank in einer aufgeheizten Spannvorrichtung einer Bestückungsmaschine gehalten wird, während die vorgeheizte Struktur in Kontakt mit der Bank gebracht wird. Die Wärme wird dann abgeführt, um das Lot zu verfestigen.
Wie in Verbindung mit der Ausrichtungsstruktur 100-2 gezeigt, werden für andere optische Komponenten die Montageschritte umgekehrt. In diesem Beispiel wird die Montage- und Ausrichtungsstruktur 100-2 mit der Bank in einem Struktur-Bank-Verbindungsschritt 454 kontaktiert und verbunden. Daraufhin wird die optische Faser in den U-förmigen Anschluss 152 der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100-2 eingesetzt. Danach wird die Faser entweder mit der Verbindungsoberfläche 132 der Grenzfläche verbunden, oder der U-förmige Schlitz wird so gequetscht, dass die Faser am Boden des U-förmigen Anschlusses befestigt wird. Daher wird die Faserendfläche EF an der optischen Bank in Nähe der optischen Komponente befestigt, so wie beispielsweise einem Dünnfilmfilter oder einem Spiegel 20, welche durch die Struktur 100-1 gehalten wird.
9B zeigt auch den Ablauf, welcher dem Installieren von optischen Komponenten vom MEMS-Typ an der optischen Bank 10 zugeordnet ist. Insbesondere wird in dieser Ausführungsform in einem ersten Verbindungsschritt 474 zuerst ein Vorderspiegel 470 über einer reflektierenden Membran der MEMS-Vorrichtung 472 verbunden. Dann wird in einem zweiten Verbindungsschritt 476 die MEMS-Vorrichtung 472 mit der Ausrichtungsstruktur 100 verbunden. Dann wird in einem Bank-Verbindungsschritt 478 die verbundene MEMS-Struktur mit der Bank 10 verbunden.
Montagestruktur-Verformung während einer Ausrichtung.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines faseroptischen Laseroptik-Signalquellensystems. Insbesondere umfasst das Laserquellensystem 610 einen Laserchip 612, welcher auf einem Hybtidsubstrat 614 montiert worden ist. Typischerweise trägt dieses Substrat die elektrischen Verbindungen zum Chip 612 und umfasst optional eine thermoelektrische Kühlung zum Aufrechterhalten einer Betriebstemperatur auf dem Chip 612. Das Hybridsubstrat 614 wird wiederum an einem Abschnitt 10 einer optischen Bank eines Verpackungssubstrats 622 befestigt. Ein Detektor 616 befindet sich hinter dem Chip 612 an der Bank 10, um hinteres Facetten- bzw. Flächenlicht und dadurch den Betrieb des Lasers 612 zu überwachen.
Von einer Frontfacette bzw. -fläche 618 des Chips 612 ausgestrahltes Licht wird mittels einer Faser f zur Übertragung außerhalb des optischen Systems 610 gesammelt. Bei einer Ausführung wird das sich in der Faser f ausbreitende Licht dazu verwendet, eine Verstärkungsfaser zu pumpen, wie beispielsweise eine mit seltenen Erden dotierte Faser oder eine herkömmliche Faser in einem Raman-Pumpschema. Bei anderen Ausführungen wird der Laserchip 612 als Antwort auf ein Informationssignal moduliert, so dass die Faser ein optisches Informationssignal zu einem entfernten Detektor überträgt. In noch anderen Ausführungen wird der Laserchip 612 betrieben, um in einem Dauerstrichbetrieb mit einer Modulation zu arbeiten, welche mittels eines separaten Modulators, die beispielsweise einem Mach-Zehnder-Interterometer, durchgeführt zu werden.
Eine Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 für optische Komponenten wird auf dem Optikbank-Abschnitt 10 des Verpackungssubstrats 622 installiert. Wie oben beschrieben, hat die optische Bank Ausrichtungsmerkmale 620, welche in Ausrichtungs-Gegenstücke auf der Trägeroberfläche der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 greifen, wie beispielsweise in Verbindung mit 1 bereits oben besprochen.
Wie ebenfalls bereits besprochen, wird die Faser f in dem U-förmigen Anschluss 152 eingebaut, welcher Teil der Grenzfläche 112 für optische Komponenten der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 ist.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das den aktiven Ausrichtungsablauf zeigt, welcher zusammen mit den Montagestrukturen für verformbare optische Komponenten bei der Herstellung einer optischen Signalquelle, wie beispielsweise in 10 gezeigt, verwendet wird.
Insbesondere werden in Schritt 650 ein Laserchip ("laser die") 614 und eine Ausrichtungsstruktur 100 an der optischen Bank 10 in einem Bestückungs- und Verbindungsablauf montiert. Insbesondere ordnet ein Bestückungsautomat den Chip ("die") 614 und die Ausrichtungsstruktur 100 auf der opti schen Bank 10 unter Verwendung einer passiven Ausrichtung an. Der Ausrichtungsablauf wird unter Verwendung von Techniken zum maschinellen Sehen und/oder Ausrichtungsmerkmalen in der Laserbank 10 und der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 als auch im Chip 614 durchgeführt, oder ausdrücklich relativ zu einem definierten Koordinatensystem der Bank 10/des Moduls 622.
In Schritt 652 wird, sobald das Laserhybrid 614 und die Struktur 100 an der Bank 10 befestigt sind, eine Drahtverbindung zum Laserhybrid hergestellt. Dann wird in Schritt 654 der Laser 612 mit elektrischer Energie versorgt, um zu bestimmen, ob der Laser richtig funktioniert oder nicht.
Falls der Laser nicht richtig funktioniert, wird das optische System in Schritt 656 verworfen.
Falls jedoch in Schritt 654 der Laser als betriebsbereit eingestuft wird, wird die Bank in Schritt 658 zu einer Ausrichtungs-Spannvorrichtung des Herstellungssystems bewegt.
In Schritt 660 wird die Faser f in den U-förmigen Anschluss 152 der Grenzfläche 112 für optische Komponenten eingeführt und dort verbunden. Die Faser kann mit der Verbindungsoberfläche 132 lötverbunden sein.
In Schritt 664 greift das Ausrichtungssystem die Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 bzw. stellt einen Eingriff mit ihr her, um die Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 als Antwort auf eine Stärke oder Größe eines mittels der Faser f von dem Laser 612 übermittelten Signals zu verformen.
12 zeigt den Eingriff zwischen dem Ausrichtungssystem und der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100, um die Faser f auszurichten. Insbesondere befinden sich die zwei Klemmbacken 710A, 710B im Eingriff mit den Griffen 136 der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 und bewegen dann die Montage- und Ausrichtungsstruktur, um die Faser f in einer (x, y)-Ebene zu versetzen, welche orthogonal zur Achse der Faser f ist. Simultan wird die Größe des von der Faser übermittelten Signals überwacht, bis in Schritt 666 von 11 ein maximales Signal detektiert bzw. aufgenommen wird. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass es die rechten und linken Ausschnitte des Griffs 136 den Klemmbacken des Ausrichtungssystems ermöglichen, die Struktur sowohl von der Bank 10 wegzuziehen, als auch dorthin zu drücken, so wie es für eine optimale Ausrichtung benötigt wird.
Nun zurück zu 11, verformt, sobald das maximale Signal in Schritt 666 erkannt wird, das Ausrichtungssystem die Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 weiter so, dass dann, wenn die Montage- und Ausrichtungsstruktur freigegeben wird, sie elastisch auf die gewünschte, in Schritt 666 detektierte, Ausrichtungsposition zurückfedert. In anderen Worten: Die Montage- und Ausrichtungsstruktur wird derart plastisch verformt, dass sie die richtige Ausrichtung aufweist, wenn die Klemmbacken 710A, 710B des Ausrichtungssystems sich von der Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 lösen.
Falls darauf folgend in Schritt 670 bestimmt wird, dass die optische Komponente, das heisst, die Faser, nicht in einer zu der maximalen Einkopplung zugehörigen Position ist, wird der Verformungsschritt 668 nochmals durchgeführt, bis die Position sich innerhalb einer akzeptablen Toleranz befindet.
13 ist eine Zeichnung, welche den Ausrichtungsablauf darstellt. Insbesondere werden das Leistungsmerkmal oder die Einkoppeleffizienz des Lichts als eine Funktion der Verschiebung der optischen Faser aufgetragen. Insbesondere wird die Einkoppel-Effizienz maximiert, wenn die Faser an der besten Ausrichtungsposition angeordnet ist, und fällt zu beiden Seiten dieser Position hin ab.
13 zeigt auch die Kraft oder Spannung als eine Funktion der Dehnung oder Versetzung während verschiedener Schritte des Ausrichtungsablaufs. Insbesondere wird in einem ersten Schritt 710 eine Kraft auf die Montage- und Ausrichtungsstruktur ausgeübt, so dass diese eine elastische Verformung erfährt. In diesem Bereich existiert eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der angelegten Kraft auf der y-Achse und der Verschiebung oder Dehnung auf der x-Achse. Sobald die Fließkraftgrenze überschritten ist, erfährt die Montage- und Ausrichtungsstruktur 100 eine plastischen Verformung, wie durch Linie 720 gezeigt. Diese plastische Verformung ergibt eine dauerhafte Verformung der Montage- und Ausrichtungsstruktur.
Wenn die Kraft zurückgenommen wird, "federt" die Montage- und Ausrichtungsstruktur elastisch zurück, wie in Schritt 722 gezeigt. Dies bedeutet, dass die Struktur bei zurückgenommener Kraft eine gewisse elastische Bewegung ausführt. Weil jedoch die Fließ(kraft)grenze überschritten wurde, ist die Montage- und Ausrichtungsstruktur dauernd verformt, wie es durch den Abstand ?₁ angezeigt ist.
Sogar mit dieser plastischen Verformung ist die Faser immer noch nicht an der besten Ausrichtungsposition. Als ein Ergebnis wird ein weiterer Durchgang einer plastischen Verformung durchgeführt. Insbesondere wird eine Kraft dergestalt angelegt, dass die Montage- und Ausrichtungsstruktur eine elastische Verformung, wie durch Linie 724 gezeigt, ausführt. Sobald der neue Fließkraftpegel bzw. die neue Fließgrenze ein zweites Mal überschritten worden ist, wird dann eine plastische Verformung, wie durch Linie 726 angezeigt, ausgeführt. Die Fließkraft ist während dieses zweiten Ausrichtungsdurchgangs aufgrund einer Kaltverfestigung erhöht worden. Die Kraft wird dann zurückgenommen, und die Montage- und Ausrichtungsstruktur führt ein elastisches Rückfedern aus, wie durch Linie 728 gezeigt.
Da die Fließkraft überschritten worden ist, ergibt dieser zweite plastische Verformungsschritt eine Bewegung hin zu der besten Ausrichtungsposition ?₂.
Falls jedoch eine optimale Ausrichtung erreicht werden muss, muss eine weitere plastische Verformung durchgeführt werden. Insbesondere wird die elastische Verformung in Schritt 730 erneut durchgeführt, bis die Fließkraft erreicht wird. Dann wird eine kleine Menge an plastischer Verformung durchgeführt, wie durch Linie 732 angedeutet. Die Kraft wird entfernt bzw. zurückgenommen, und die Montage-Ausrichtungsstruktur federt nun in die beste Ausrichtungsposition zurück, wie durch Linie 734 angedeutet.
Der eingesetzte Graph zeigt das Leistungsmerkmal während des Ausrichtungsablaufs. Während des ersten plastischen Verformungsdurchgangs läuft die Position durch die beste Ausrichtungsposition, aber nach einer Entlastung zieht das elastische Rückfedern sie von der besten Ausrichtung weg. Während des zweiten Verformungsdurchgangs wird die beste Ausrichtungsposition wieder durchlaufen und überschritten. Dieser zweite Durchgang verbessert jedoch die Ausrichtung, sobald die Kraft entfernt wurde. Als letztes bringt der dritte Durchgang die Faser in die beste Ausrichtungsposition.
Montagestruktur-Ausgestaltungskriterien
14 zeigt eine Auftragung der Kraft F_? als eine Funktion einer Verschiebung, welche erfindungsgemäß aufgebracht werden kann, um die Anker für eine gegebene Anwendung auszugestalten. Die Fließkraft ist die Kraft, bei welcher die Struktur beginnt, sich von einem Bereich einer elastischen Verformung aus sich plastisch zu verformen.
Die untere Grenze von F_? (1200) ist durch Umgebungsschock, das heisst, eine Beschleunigung, beschränkt und durch die möglichen Kräfte, denen die Montagestruktur während einer Handhabung unterworfen sein könnte. Einige Spezifikationen verlangen es von optischen Systemen, 5000 g Schocktests zu widerstehen. Typischerweise werden bei einigen optischen Elementen Fließkräfte von typischerweise größer als 0,5 Newton verlangt. Diese Zahl kann jedoch verringert werden, wenn die Größe und daher die Masse der optischen Elemente verringert wird. Gäbe es keine Randbedingung bzw. Einschränkung der minimalen Fließkraft, würden die unvermeidlichen während einer Handhabung – einschließlich Herstellung, Hitzebehandlung, Galvanisierung, Bestückung, Ausrichtung, Verpackung und anderer Abläufe – erzeugten Kräfte eine plastische Verformung der Biegeverbindungen erzeugen. Ernster kann jeder Schock ein ausgerichtetes System dejustieren, was einen der Erfindungszwecke zunichte machen würde.
Die obere Grenze von F_? (1250) wird durch drei Faktoren beschränkt. Als erstes darf die zur Erzeugung einer plastischen Verformung eines Ankers oder eines Biegeelements benötigte Kraft nicht so hoch sein, dass sie die Verbindung zwischen der Montagestruktur und dem Substrat schwächt oder zerstört. Zweitens darf die Fließkraft nicht so hoch sein, dass sie eine signifikante elastische Verformung in dem Mikro-Handhabungsgerät erzeugt, welches die Kraft aufbringt. Drittens darf die zur Verformung des Ankers oder des Biegeelements benötigte Kraft nicht so hoch sein, dass sie andere Bereiche der integral geformten Montagestruktur schädigt.
Zusätzlich zum Beschränken der Fließkraft des Ankers wird es auch bevorzugt, zu beschränken, eine wie große Verschiebung benötigt wird, um den Fließpunkt zu erreichen. Die untere Grenze (Linie 1300) wird zuerst durch den physikalischen Bereich der Struktur bestimmt. Eine Montagestruktur funktioniert wie gewünscht nur dann, falls ein Bereich plastischer Verformung ausreichend ist, um die ausgerichtete Position zu erreichen. Allgemein müssen Ausrichtungsstrukturen eine Bewegung oder Plazierung der optischen Komponente zwischen 0 und 50 μm ermöglichen. Der typische Ausrichtungsalgorithmus benötigt eine plastische Verformung, welche 4 bis 5 μm an Bewegung in Bezug auf die Position der optischen Komponente aufbringt, um eine Ausrichtung zu erreichen. Die zweite Einschränkung in Bezug auf die minimale Steifigkeit wird durch die Größe des "Überschusses" bestimmt, welcher von dem Ausrichtungsalgorithmus als akzeptabel angesehen wird. Falls die Strukturen zu elastisch sind, müssen sie dann mit einem großen Abstand über den gewünschten Ausrichtungspunkt hinaus gedrückt werden, um auch nur eine kleine Ausrichtungsanpassung durchzuführen.
Die letzte Beschränkung ist die maximale Steifigkeit der Biegeelemente (Linie 1350). Wo Kaltverformung keine Rolle spielt, würde sich keine Beschränkung der maximalen Steifigkeit ergeben (außer natürlich durch Materialgrenzen). Bei Nickel und Nickelverbindungen tritt jedoch eine Kaltverfestigung auf. Daher wird die obere Grenze der Steifigkeit so ausgewählt, dass die Linie 1250 sogar mit Kaltverformungen nicht überschritten wird, die durch aufeinanderfolgende plastische Verformungsdurchgänge, welche während der Suche nach der korrekten Ausrichtung durchgeführt werden, erzeugt werden.
In der bevozugten Ausführungsform beträgt F_?,y, das heisst, die Fließkraft in Richtung der y-Achse, weniger als 3 Newton (N), typischerweise zwischen 0,2 und 1 N. Die Fließkraft entlang der x-Achse, F_?,x ist auf ähnliche Weise auf weniger als 3 Newton beschränkt, typischerweise zwischen 0,2 und 1 N. Fließkräfte unterhalb 0,2 N sind jedoch brauchbar, falls kleinere optische Komponenten verwendet werden. Diese unteren Grenzen beziehen sich auf die Masse der optischen Komponente, welche die Struktur ohne ungewollte plastische Verformung zurückhalten bzw. einspannen muss. Daher sind niedrigere Fließkräfte mit kleineren Komponenten in folgenden Produktgenerationen möglich.
Im Gegensatz dazu ist die Fließkraft in Richtung der z-Achse, das heisst, F_?,z oder F_?,? viel größer, um eine Ausrichtung nur in der (x,y)-Ebene zu begünstigen. F_?,z oder F_?,? sind größer als 5 N oder 10 N. Darüber hinaus insbesondere in Ausführungsformen der Ausrichtungsstruktur, welche verwendet werden, um Faseranschlüsse an Bänken zu befestigen. Fehlanpassungen bzw. Versätze aufgrund einer thermischen Ausdehnung führen zu Spannungen an den Fasern. Die Aufgabe ist es, die Strukturen so auszugestalten, dass solche Spannungen in einer so kleinen Bewegung der Endfläche der Faser wie möglich münden. Insbesondere jede schwenkende bzw. kippende Bewegung wird vorzugsweise durch Balancieren der Strukturen mittels Auswählen derjenigen Stelle vermieden, an der die Anker an der Grenzfläche der Faserkomponente befestigt sind.
Weitere Ausführungsformen
15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem die Struktur 100 eine Verbundstruktur eines extrusionsähnlichen Bereichs 101 mit konstantem Querschnitt entlang der z-Achse und zwei z-achsigen Biegestücken 102 ist, welche eine Drehung um die x-Achse oder in Richtung des Winkels T_x steuern, wodurch der Widerstand gegenüber Kraftkomponenten entlang der z-Achse bestimmt wird. An der z-Achse sind die Biegestücke 101 getrennt hergestellt und mit einer Trägeroberfläche von Bereich 101 verbunden. Trägeroberflächen der Stücke werden dann mit der Bank verbunden.
Optiksystem-Fertigungslinie
16 zeigt schematisch die Herstellungsabfolge für optische Systeme gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Allgemein umfasst der Ablauf eine Präzisionsbestückung, um die optische Komponente mit einer Genauigkeit von besser als 10 μm, besser als 2 μm in der bevorzugten Ausführungsform, anzuordnen, gefolgt durch aktive Ausrichtung, in welcher die Position der Komponente mit einer Genauigkeit von ungefähr 1 μm, vorzugsweise besser als 1 μm, zurechtgelegt wird.
Insbesondere ist eine Ausrichtungsstruktur-Zuführung 2010, wie beispielsweise eine Gel-Verpackung oder ein anderer mit einem maschinellen Sehen kompatibler Halter, vorgesehen, entlang welcher eine gleichartig angeordnete Optikkomponenten-Zuführung 2012 angeordnet ist.
Auf jede der Zuführungen wird von einer Bestückungsmaschine 2014 zugegriffen. Insbesondere bringt die Bestückungsmaschine die optischen Komponenten auf den Ausrichtungsstrukturen an und verbindet die Komponenten. Typischerweise sind die Ausrichtungsstrukturen und/oder die optischen Komponenten lotbedeckt, oder es werden Lötformteile verwendet. Die Bestückungsmaschine heizt die Ausrichtungsstruktur und die optischen Komponenten auf, bringt die beiden Stücke in Kontakt miteinander und schmelzt und härtet das Lot dann aus.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Bestückungsmaschine von Karl Süss, Frankreich, Typ FC-150 oder FC-250, hergestellt. Diese Bestückungsmaschinen haben eine Unterdruck-Spannvorrichtung zum Aufnehmen der optischen Komponenten und einen Halter zum Halten der Ausrichtungsstrukturen.
Die Ausrichtungsstrukturen mit den daran angebrachten optischen Komponenten werden dann in eine getrennte oder die gleiche Bestückungsmaschine eingefüttert, welche Zugang zu einer Zuführung für optische Bänke 2018 hat. Bei diesem zweiten Bestückungsbetrieb hält die Bestückungsmaschine 2016 die optische Bank an einer Unterdruck-Spannvorrichtung oder einem Halter und bringt dann die Ausrichtungsstruktur mit der optischen Komponente auf der optischen Bank unter Verwendung dieser Unterdruck-Spannvorrichtung an. Die Bank und die Struktur werden dann aufgeheizt, um die Lötverbindung zu erreichen. Weiterhin sind durch passende Ausrichtungsmerkmale der Bänke und Ausrichtungsmerkmale der Montagestrukturen Plazierungsgenauigkeiten von weniger als 5 μm erreichbar. Die Strukturen werden auf der Bank mit Genauigkeiten von besser als 2 bis 3 μm in einer Produktionsumgebung angeordnet.
In der bevorzugten Ausführungsform werden dann die optischen Bänke mit den daran befestigten Ausrichtungsstrukturen in ein Ausrichtungssystem eingefüttert. Dieses Ausrichtungssystem 2020 hat die Klemmbacken 710A, 710B, welche den Griff der Ausrichtungsstruktur 100 greifen, um eine Ausrichtung zu bewirken. Diese Ausrichtung ist eine aktive Ausrichtung, in welcher die Größe des optischen Signals 2022 mittels eines Detektors 2024 detektiert bzw. aufgenommen wird. Die Ausrichtungsstruktur 100 wird gehandhabt und verformt, bis das optische Signal 2022, das vom Detektor 2024 aufgenommen wird, maximiert ist. Ausrichtungs-Suchstrategien, wie beispielsweise ein Anstiegsansatz oder ein Spiralscan bzw. -abtast-Ansatz können verwendet werden.
In anderen Situationen, wenn beispielsweise optische Fasern bzw. Lichtleitfasern an der Bank 10 installiert werden, wird die Ausrichtungsstruktur zunächst mittels einer Bestückungsmaschine 216 ohne die angebrachte Faser installiert. Dann wird die Faser an dem Ausrichtungssystem durch eine Faserdurchführung in dem Modul geführt und mit der Ausrichtungsstruktur 100 befestigt, wie beispielsweise durch Lötverbinden. Dann handhabt das Ausrichtungssystem die Struktur, um zu einer Ausrichtung zu kommen.
Sobald ausgerichtet, werden die optische Bank und das Modul dann zu einem Deckelabdichtungs-Arbeitsgang 2026 weitergereicht, wo die endgültigen Herstellungsschritte, wie beispielsweise eine Deckelabdichtung bzw. -verschweißung und ein Brennen durchgeführt werden, falls notwendig.
Die 17A, 17B und 17C zeigen drei unterschiedliche Anordnungen von Ausrichtungskanälen 118, die in 1 eingeführt wurden.
17A ist die einfachste Ausgestaltung, hat aber einen Nachteil bei Verwendung bei Maschinensicht-Anwendungen, wenn die Trägeroberfläche mit Lot oder anderen Verbindungsmitteln vorbeschichtet ist. Lot füllt die Rillen und glättet die Kanalkanten, was eine Ausrichtung auf der Grundlage der Merkmale potenziell weniger genau macht.
Die 17B und 17C zeigen Kanäle, welche Hohlräume in den Merkmalen umfassen, welche die Identifizierung von Kanten 118A sogar nach einem Löt-Beschichten erleichtern. Die sich ergebenden klaren Kantenmerkmale vereinfachen sogar nach einem Beschichten eine Ausrichtung während der Bank-Installation.
Während diese Erfindung insbesondere in Bezug auf die darin vorkommenden bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, ist es den Fachleuten klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Details daran durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, so wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Befestigungs- und Ausrichtungsstruktur (100) für optische Komponenten, umfassend einen Quasi-Extrusionsteil mit einem im wesentlichen konstanten Querschnitt in einer z-Achsen-Richtung, wobei der Quasi-Extrusionsteil umfasst: mindestens einen Träger (110) mit einer Trägeroberfläche (116), die sich vertikal und senkrecht zur z-Achsen-Richtung erstreckt; eine Optikkomponentengrenzfläche (112); und zwei Anker (114A, 114B), welche die Komponentengrenzfläche (112) mit dem Träger (110) verbinden, wobei jeder der zwei Anker (114A, 114B) mindestens zwei Paare von Biegeelementen (126A, 126B; 128A, 128B) zur plastischen Verformung umfasst, wobei zwei Biegeelemente (126A, 126B; 128A, 128B) jedes Paars durch ein Ecksegment voneinander getrennt sind und die Biegeelemente eines Paars durch ein Segment (122A, 122B) der sich vertikal und senkrecht zur z-Achsen-Richtung erstreckenden Anker (114A, 114B) voneinander getrennt sind und die Biegelemente des anderen Paars durch ein Segment (124A; 124B, 154A, 154B, 155) der sich horizontal und senkrecht zur z-Achsen-Richtung erstreckenden Anker (114A, 114B) getrennt sind, wobei die Biegeelemente (126A, 126B; 128A, 128B) eine verkleinerte Querschnittsfläche bezüglich des Segments (122A; 154, 155) aufweisen und wobei die zwei Anker (114A, 114B) sich symmetrisch von beiden Seiten der Grenzfläche (112) erstrecken.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Trägeroberfläche (116) an einer optischen Bank (10) befestigbar ist.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Trägeroberfläche (116) mittels Lötverbindens an einer optischen Bank (10) befestigbar ist.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Trägeroberfläche (116) mittels Epoxy-Verbindens an einer optischen Bank (10) befestigbar ist.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Trägeroberfläche (116) mittels Laserschweißens an einer optischen Bank (10) befestigbar ist.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei die Trägeroberfläche (116) ein Ausrichtungsmerkmal (113) umfasst, das verwendet wird, um die Struktur (100) auf der optischen Bank (10) anzuordnen.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei der Träger zwei Trägerteile (110A, 110B) umfasst, und zwar einen auf jeder Seite einer Mittelachse der Struktur (100).
Struktur (100) nach Anspruch 7, wobei ein Anker (114) sich von jedem Trägerteil (110A, 110B) zur Optikkomponentengrenzfläche (112) erstreckt.
Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Grenzfläche (112) einen Anschluss (134) umfasst, der es ermöglicht, ein optisches Signal in der z-Achsen-Richtung durch die Struktur (100) zu führen.
Struktur (100) nach Anspruch 9, wobei der Anschluss (134) eine in sich geschlossenes Bohrung ist.
Struktur (100) nach Anspruch 9, wobei der Anschluss (134) ein im wesentlichen u-förmiger ausgeschnittener Bereich (152) ist.
Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Grenzfläche (112) eine offene Klemme zum Aufnehmen einer optischen Komponente umfasst, die sich mindestens teilweise in einer Richtung parallel zur z-Achsen-Richtung und senkrecht zu den sich horizontal und vertikal erstreckenden Segmenten (122A, 122B, 124A, 124B, 154A, 154B, 155A, 155B) erstreckt.
Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Struktur eine optische Komponente umfasst, die eine Lichtleitfaser ist.
Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner umfassend einen Griff (136), um eine Handhabung der Struktur (100) während und/oder nach einer Montage zu ermöglichen.
Struktur (100) nach Anspruch 14, wobei der Griff (136) mindestens einen ausgeschnittenen Bereich in der Struktur (100) umfasst.
Struktur (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Griff (136) mit der Optikkomponentengrenzfläche (112) integral ausgeführt ist.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei der Anker (114) u-förmige Biegeelementausschnitte in dem Anker (114) umfasst.
Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Griff (136) umfasst, um eine Handhabung der Struktur (100) während und/oder nach einer Montage zu ermöglichen.
Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ecksegment sich vertikal und horizontal erstreckende, miteinander verbundene Teile umfasst.
Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein z-Achsen-Biegelementstück (102) mit einer hohlbehälterförmigen Struktur umfasst, wobei das z-Achsen-Biegelementstück in einer entsprechenden Aussparung der Trägeroberfläche angebracht ist.