DE69935129T2

DE69935129T2 - Ein verfahren zur herstellung von spiegeln in polymerwellenleitern

Info

Publication number: DE69935129T2
Application number: DE69935129T
Authority: DE
Inventors: Mats Robertsson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2019-03-09
Also published as: CA2322298A1; JP2002506227A; JP4475805B2; CA2322298C; KR20010041636A; SE513849C2; WO1999045421A2; CN1292098B; SE9800756L; DE69935129D1; AU2966699A; TW439333B; US6331382B1; KR100811341B1; EP1060429A2; SE9800756D0; CN1292098A; WO1999045421A3; EP1060429B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren des Herstellens von Spiegeln in Polymer-Wellenleitern und eine optische Anordnung, die einen Spiegel einschließt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
Telekommunikationssysteme unter Verwendung von sich in unterschiedlichen Wellenleitern ausbreitendem Licht breiten sich heutzutage mehr und mehr aus. Es gibt ein großes Interesse im Erweitern der optische Netze selbst bis zum privaten Heimbereich und lokalen Geschäftsstandorten und das sogenannte lokale Zugangsnetz, das auch "Faser Zum Heim" bzw. "Fibre To (In/From) the Home", "Faser zum Kunden" bzw. "Fibre To (In/From) the Customer (Business)", etc. genannt wird. Auch gibt es ein großes Interesse im Ausweiten der Benutzung optischer Netze in LANs, d.h., Lokalbereichsnetzen, die verwendet werden zum Verbinden von Computern in einem Geschäftsstandort und zudem für Kommunikationen innerhalb von Computerausrüstung und für Kommunikationen zwischen Computern und peripheren Vorrichtungen wie Drucker etc.. Um diese Ausweitung zu erreichen, müssen die Kosten der Komponenten der optischen Netze so sehr wie möglich reduziert werden. Sehr wichtige Kosten beziehen sich auf das Erzeugen der optischen Sender- und Empfängermodule, die Laser, LEDs etc. einschließen und andere aktive oder passive Vorrichtungen.
In optischen Sender- und Empfängermodulen und anderen optischen Produkten, die integrierte Wellenleiter für Licht haben, gibt es einen Bedarf nach Spiegeln, die Licht reflektieren können oder allgemein eine abrupte Änderung der Richtung von sich in dem optischen Wellenleiter ausbreitendem Licht vornehmen können wie z.B. Ablenken des Lichts aus einem Wellenleiter zu irgendeinem Empfänger. Spiegel, die allgemein durch Endoberflächen optischer Wellenleiter gebildet werden können, können unter Verwendung unterschiedlicher Verfahren erzeugt werden. Spiegel in der Wellenleiterebene, die eine Reflektion bei einer Oberfläche zu Luft erzielen können, sind von Honeywell, beispielsweise für das Erzeugen scharfer 90°-Krümmungen in Wellenleitern offenbart worden und Spiegel zum Ablenken von Licht aus einer Wellenleiterebene sind durch Dupont und IBM offenbart worden, wie beispielsweise Lawrence A. Hornack; Herausgeber "Polymers for lightwave in integrated optics", Marcel Decker K.K., New York, 1992, Kapitel 9 von B. Booth, Dupont. In der Firma Ericsson hat die Abteilung MIRC in Zusammenarbeit mit dem Institut für Optische Forschung Spiegel in Wellenleitern zum Ablenken von Licht aus einer Wellenleiterebene, das mit Hilfe von UV-Excimer-Laser erzeugt worden ist, offenbart, siehe Gunnar Boström, "Waveguide grating couplers", graduate report at the Royal Institute of Technology, Stockholm, Trita, Phys. 2138, 15. Sept. 1994.
In dem US-Patent Nr. 5,544,268 sind komplexe Wellenleiterstrukturen mit aktiven und passiven Spiegeln offenbart.
In dem Dokument "Fabrication and Application of Beveled Structures in Optical Waveguides", IBM Technikcal Disclosure Bulletin, Band 32, Nr. 11, April 1990, Seiten 305-307, wird ein Verfahren zum Formen von winkligen Wänden in optischen Wellenleitern offenbart. Eine Maske wird oberhalb eines optischen Wellenleiters angewendet und der optische Wellenleiter wird oblique durch eine Öffnung in der Maske bestrahlt zum Entfernen von Material in dem Wellenleiter, eine Ausnehmung mit geneigten Seitenwänden bildend.
Im US-Patent Nr. 5,327,415 wird ein Verfahren des Erzeugens eines Reflektors für einen Laser in einem Halbleitermaterial beschrieben, siehe 2a-2c. Eine Metallmaske mit Abschnitten 28, 34 definiert die Öffnung des Reflektors an der Oberfläche des Materials.
RESÜMME DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen zum Bereitstellen eines exakten Positionierens einer optoelektrischen Vorrichtung oder eines Chips, die korrekt an einen Wellenleiter vom Kanaltyp angekoppelt werden, der in der Oberflächenschicht eines Substrats gebildet ist.
Es ist ein ferneres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Positionieren einer opto-elektrischen Vorrichtung in Bezug auf einen Reflektor bereitzustellen, der in der Oberflächenschicht eines Substrats ausgebildet ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Erstellen eines Reflektors in einem optischen Wellenleiter bereitzustellen, der ein simultanes Metallisieren von reflektierenden Oberflächen ermöglicht.
Demnach wird die Position einer obliquen Spiegelstruktur innerhalb eines Polymer-Wellenleiters exakt definiert durch Verwenden einer integrierten Maske aus Metall, die unter Verwendung von Photolithographie definiert wird, oberhalb der Wellenleiterstruktur. Die Metallmaske lässt nur das Laserlicht durch, bei dem Material zu entfernen, d.h., abzutragen ist, um einen oder einige Spiegel zu erzeugen. Der Bedarf nach einer hohen Exaktheit der Position im Raum des bestrahlenden Laserstrahls kann reduziert werden, da in der lithograpischen Maske, die die zum Erzeugen eines Reflektors gedachte Metallmaske definiert, ein Muster eingeschlossen sein kann zum Definieren der Kontaktfelder, die für Flip-Chipmontage von Lasern und Photodioden gedacht sind. Selbstausrichtende Flip-Chipmontage umfasst Lötinseln, die eine sehr exakte Positionierung der Opto-Komponenten ermöglichen, welche dann einen korrekten Ort in Bezug auf den erhaltenen Spiegel haben werden. Der Rand innerhalb der integrierten Metallmaske, der die Position der reflektierenden Oberfläche definiert, kann eine gerade Linie sein oder gekrümmt, beispielsweise mit Parabolprofil, damit mehr Licht, das von beispielsweise einer Laserdiode divergiert, in der Wellenleiterstruktur gesammelt werden kann, oder dass Licht von dem Wellenleiter besser auf beispielsweise der Eingabefläche einer Photodiode fokussiert werden kann.
Eine andere Metallschicht kann direkt unter der Unterkaschierung angebracht werden oder selbst bei einem geeigneten Ort unter dem Wellenleiterkern, um diese zur Metallisierung der Spiegelfläche zu verwenden. Dann wird die Metallisierung der Oberflächen, die die Spiegel bildet, in demselben Prozess vorgenommen und direkt nachdem die Ausnehmung erstellt worden ist, wenn der Bestrahlungsstrahl diese Metallfläche erreicht. Der Laserstrahl wird dann auch diese innere Metallschicht beeinträchtigen, aber wird dies bei einer erheblich geringeren Geschwindigkeit vornehmen als bei dem Polymermaterial. Metall wird dann in einer sehr fein aufgeteilten Form mit hoher Geschwindigkeit der darin enthaltenen Partikel entfernt. Sie werden dann auf verfügbaren Flächen abgeschieden und demnach an der Spiegelfläche, bedingt durch die sie sehr nah an der Fläche des inneren Metallbereichs angeordnet ist. Die Fläche der inneren Metallisierung sollte vorteilhafter Weise diffus reflektieren, um das durch die Reflektion des Laserstrahls bedingte Abtragen zu minimieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun detailliert anhand nicht einschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 eine Teilschnittansicht einer optischen Wellenleiterstruktur, in der ein Reflektor ausgebildet ist;
2 eine Teilschnittansicht einer optischen Wellenleiterstruktur der 1, auf der ein oberflächenemittierender Laser montiert ist;
3 und 4 Draufsichten von Mehrschichtstrukturen zum Bilden des optischen Wellenleiters in zwei Ausführungsformen einer Spiegel definierenden Kante, und
5 eine Teilschnittansicht ähnlich der der 1 von optischen Wellenleiterstrukturen, die übereinander angeordnet sind.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 wird eine Bruchquerschnittsansicht einer Wellenleiterstruktur 1 angewendet auf einer Oberfläche eines Substrats 3 gezeigt. Das Substrat 3 kann von einem geeigneten Kunststoffmaterial sein. Die Lichtwellenleiterstruktur 1 umfasst drei Schichten, eine Unterkaschierung 5, eine Wellenleiterkernschicht 7 und eine Überkaschierung 9. Alle Wellenleiterschichten werden als aus geeigneten Polymermaterialien hergestellt angesehen. Die Polymermaterialien können ausgewählt werden, wie von M. Robertsson, A. Dabek, G. Gustafsson, O.-J. Hagel, M. Popall, vorgeschlagen in "New Patternable Dielectric and Optical Materials for MCM-L/D- und o/e-MCM-packaging", First IEEE Int. Symp. on Polymeric Electronics packaging, 26.-30. Okt. 1997, Norrköping, Schweden, und der optische Wellenleiter 10 kann wie in der simultan herausgegebenen schwedischen Patentanmeldung "Optoelektrisches Mehrchipmodul" offenbart ausgebildet werden. Oberhalb der Überkaschierung 9 wird eine Metallschicht 11 angebracht, die eine Musterbildung unterzogen worden ist, um eine exakt definierte Konfiguration zu haben einschließlich Lötinseln oder Kissen 13 zum Verbinden einer opto-elektrischen oder elektro-optischen Komponente, die nicht dargestellt ist, und elektrischen Leitern, die nicht dargestellt sind, wie z.B. zwischen den Kissen 13 und einer Stromversorgung oder Steuerschaltungen, die nicht dargestellt sind.
Zusätzlich zu jenen Bereichen schließt die Metallschicht 11 eine rahmenartige Struktur 15 mit einer länglichen Öffnung ein, die den Ort definiert, an dem ein Reflektor von 45° auszubilden ist. Die Metallschicht 11 und ihre unterschiedlichen Bereiche 13, 15 sind ebenfalls in der Draufsicht der 3 sichtbar. Durch Richten eines energiereichen Laserstrahls 17 von einem Laser 18 in dem gewünschten Winkel auf die Oberfläche der Struktur 1, um den Rahmen 15 und insbesondere die Öffnung darin zu treffen, kann eine oblique Ausnehmung oder Vertiefung 19 ausgebildet werden. Der Laserstrahl 17 ist in Bezug auf die langen inneren Kanten 16, 16', siehe auch 3, des Rahmens 17 derart angeordnet, dass er mindestens eine dieser Kanten trifft, entlang der er sich bewegen kann, um die Ausnehmung 19 zu bilden. Der den Strahl 17 erzeugende Laser 18 kann beispielsweise ein UV-Excimer-Laser sein.
An der Grenzfläche zwischen dem Substrat 3 und der Unterkaschierung 5 kann eine Metallschicht angebracht sein und diese einer Musterbildung unterzogen sein. Dann kann ein Abschnitt 21 am Boden der Ausnehmung 19 belassen werden, um den Laserstrahl zu stoppen, so dass er nicht in das Substrat 3 eindringen kann. Für geeignete Brechungsindizes der Materialien in den den optischen Wellenleiter 10 bildenden Schichten und insbesondere in der Wellenleiterkernschicht 7 kann die obere der beiden parallelen Oberflächen der Ausnehmung 19, welche Oberflächen beide einen Winkel von 45° in Bezug auf die Oberfläche der Struktur und demnach auch die unterschiedlichen Schichten und zu der Substratoberfläche haben, ausgebildet sein, dass sich in der Wellenleiterstruktur 10 ausbreitendes Licht an der Grenzfläche zu Luft aus dem Wellenleiter 10 heraus reflektiert werden kann, um beispielsweise auf einen Lichtdetektor, der nicht dargestellt ist, zu treffen. Dieselbe reflektierende Oberfläche kann zum Injizieren von Licht in den Wellenleiter verwendet werden, wenn beispielsweise eine Licht erzeugende Einheit wie ein oberflächenemittierender Laser 23 umgekehrt oberhalb der Reflektorausnehmung 19 angeordnet ist, wie in 2 gezeigt.
Die an der Oberfläche montierte Komponente wie z.B. der oberflächenemittierende Laser 23, ist vorzugsweise ausgerichtet zu oder positioniert in einer exakt definierten Position unter Verwendung von Oberflächenspannungskräften des Lots in den Lotbällen oder Punkten 25, die an exakt definierten Positionen auf der Unterseite der Komponente angebracht sind. Diese Bälle oder Punkte 25 werden dann geschmolzen und wenn die Komponente an einer geeigneten Position angeordnet ist, die Lötkissen 13 berührend und sie benetzend, wird die Komponente zu der gedachten Position in Bezug auf die rahmenartige Struktur 15 und die Ausnehmung 19 und ihre reflektierende Oberfläche bewegt. Auf diese Weise kann die Positionierung der Komponente leicht vorgenommen werden ohne komplizierte Ausrichtungsoperationen zu erfordern.
Um die reflektierende Oberfläche weniger empfindlich in Bezug auf Schmutz und Luftverschmutzung zu machen und um ein Neuauffüllen des Hohlraums oder der Ausnehmung 19 zu ermöglichen, kann die Oberfläche der Hohlraumausnehmung 19 metallisiert sein. Der Hohlraum 19 kann dann durch ein geeignetes Material wiederaufgefüllt werden, beispielsweise ein Polymer, das mit Hilfe von Licht ausgehärtet ist, welches Polymer einen normalen Brechungsindex hat.
Für ein geeignetes Material in dem inneren Metallbereich 21 kann das Metall verdampft werden, wenn es durch den Laserstrahl 17 getroffen wird. Das verdampfte Metall kann dann an angrenzenden Oberflächen, d.h. den Oberflächen innerhalb des Hohlraums 19, abgeschieden werden und demnach auch der Oberfläche, die als ein Spiegel für das Licht zu verwenden ist, das sich in der Wellenleiterstruktur ausbreitet. Die Oberfläche der Metallisierung hat vorteilhafter Weise eine diffuse Reflektion von Licht des Laserstrahls, um die durch den reflektierten Strahl bedingte Abtragung zu minimieren.
Wie in 3 sichtbar ist, hat die rahmenartige Struktur 15 zum Definieren der Öffnung des Hohlraums 19 im einfachsten Fall zwei lange Parallelseiten aus Metallmaterial, das opak ist in Bezug auf Licht des starken Laserstrahls 17. Auch können Endpositionen zum Schließen des Rahmens an den Enden jener langen definierten Seitenabschnitte angeordnet sein. Nur die Position der Seitenkante 16, 16' einer langen parallelen Seite des Rahmens 15 ist wichtig, an der die reflektierende Oberfläche auszubilden ist. Demnach ist im allgemeinen Fall nur ein Streifen von Maskierungsmetallmaterial erforderlich zum exakten Positionieren der Reflektkionsseite der reflektierenden Ausnehmung, nämlich der Streifen in Entsprechung zu einer langen Seite der rahmenartigen Struktur 15. Der Laserstrahl muss dann entlang der gedachten Kante des Streifens bewegt werden, um die Oberfläche der Polymerstruktur an dieser Kante zu treffen, wobei der Laser an jeder Position für eine ausreichend lange Zeitdauer verbleibt, bis das Polymermaterial bis zu dem Substrat 3 herunter abgetragen worden ist.
Die innere Kante einer langen Seite der Rahmenstruktur 15 kann auch kurvenförmig ausgebildet sein, wie bei 16' in 4 sichtbar, um eine reflektiere Oberfläche beispielsweise einer parabolischen Form auszubilden. Demnach kann beispielsweise ein Fokussieren des sich in dem Wellenleiter 10 ausbreitenden Lichts, welches ein nicht dargestelltes Photodetektorelement treffen soll, erhalten werden.
Mehrere optische Wellenleiterstrukturen, die beispielsweise durch eine Polymerstruktur 1' der in 1 und 2 dargestellten Art ausgebildet werden und oberhalb einer bereits ausgebildeten Bodenpolymerstruktur 1 angeordnet sind, können ebenfalls erhalten werden, wie in 5 dargestellt. Dann werden Kontaktkissen 13 nur in der obersten Polymerstruktur 1' angeordnet. Reflektierende Oberflächen für Lichtwellen, die sich in den Wellenleitern jeder individuellen Struktur ausbreiten, werden wie oben erzeugt. Dann wird zuerst die die geeignet angeordneten optischen Wellenleiter einschließende unterste Polymerstruktur erzeugt, dann Spiegel in dieser Struktur und daraufhin eine neue Polymerstruktur oberhalb der bereits ausgebildeten Struktur. Beim Anbringen der ersten Polymerschicht in dieser neuen Struktur kann die Ausnehmung 19 für die Spiegel mit dem Polymermaterial aufgefüllt werden. Daraufhin werden Ausnehmungen für die Wellenleiter der neuen Struktur erzeugt etc..

Claims

Verfahren zum Verbinden einer Licht erzeugenden oder empfangenden elektrooptischen oder optoelektrischen Vorrichtung (23) an einen in einer Oberflächenschicht eines Substrats (3) ausgebildeten Lichtwellenleiter (1), die Schritte einschließend: – Aufbringen einer Metallschicht (11) auf die Oberfläche der Oberflächenschicht, – Musterbildung der Metallschicht (11) zu einer exakt definierten Konfiguration einschließlich einer Kante (16; 16') einer Region (15), wobei die Kante den Ort einer auszubildenden reflektierenden Oberfläche definiert, und ferner Metallbereiche (13) einschließend zum Positionieren der Vorrichtung (23) in einer exakt definierten Position in Bezug auf die Kante (16; 16') und demnach zu der reflektierenden auszubildenden Oberfläche, und – Bestrahlen (17) der Oberfläche an der Kante (16; 16') zum Entfernen von Material in der Oberflächenschicht derart, dass eine Ausnehmung (19) in der Oberflächenschicht ausgebildet wird, wobei die Ausnehmung eine Licht reflektierende Seitenwand hat, die eine reflektierende Oberfläche bildet zum Reflektieren von sich in oder innerhalb des Lichtwellenleiters (1) ausbreitendem Licht, wobei die Seitenwand an der Kante (16; 16') beginnt und sich in den Lichtwellenleiter (1) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Musterbildung in der Metallschicht (11) der Kante (16; 16') eine solche Form gegeben wird, dass wenn die Oberfläche bestrahlt wird, die Seitenwand der Ausnehmung (19) eine entsprechende gekrümmte Form erhält, die das Fokussieren von sich entlang des Lichtwellenleiters (1) ausbreitendem Licht ermöglicht, oder die es ermöglicht, dass Licht in den Lichtwellenleiter (1) eingespeist wird, um in der Form eines parallelen Strahls geformt zu sein.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bestrahlen der Oberfläche eine innere Metallschicht (21) innerhalb der Oberflächenschicht in einer Position unterhalb oder innerhalb des Lichtwellenleiters (1) angeordnet wird, so dass wenn die die Oberfläche mit einem Lichtstrahl (17) bestrahlt wird, der Lichtstrahl nach dem Entfernen von Material in dem Lichtwellenleiter (1) die innere Metallschicht (21) treffen wird, um das Material der inneren Metallschicht (21) zu verdampfen, zu sputtern oder zu atomisieren, um es an der Seitenwand abzuscheiden.
Optische Anordnung, einschließend: – eine Licht erzeugende oder empfangende elektrooptische oder optoelektrische Vorrichtung, (23), – ein Substrat (3) mit einem Lichtwellenleiter (1) in einer Oberflächenschicht des Substrates ausgebildet, – eine gemusterte Metallschicht (11) auf der Oberfläche der Oberflächenschicht, wobei die Metallschicht eine exakt definierte Konfiguration hat einschließlich einer Kante (16; 16') einer Region (15) und Metallbereichen (13), wobei die Vorrichtung (23) elektrisch und mechanisch mit dem Substrat (3) an den Metallbereichen (13) verbunden ist, die Vorrichtung (23) hierdurch eine exakt definierte Position in Bezug auf die Kante (16; 16') hat, und – eine Ausnehmung (19) in der Oberflächenschicht, wobei die Ausnehmung eine Licht reflektierende Seitenwand hat, die eine reflektierende Fläche zum Reflektieren von von der Vorrichtung (23) ausgegebenem Licht in dem Lichtwellenleiter 1 bildet oder zum Reflektieren von Licht, das sich in dem Lichtwellenleiter zu der Vorrichtung (23) ausbreitet, wobei die Seitenwand bei der Kante (16; 16') beginnt und sich in den Lichtwellenleiter (10) erstreckt.
Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (16; 16') eine Kurvenform hat und die Seitenwand der Ausnehmung (19) eine entsprechende Kurvenform hat zum Fokussieren von sich in dem Lichtwellenleiter (1) ausbreitendem Licht, das durch die Vorrichtung (23) zu empfangen ist, oder um Licht, das von der Vorrichtung (23) ausgegeben wird und in den Lichtwellenleiter (1) eingespeist wird zu Veranlassen, als ein paralleler Strahl geformt zu sein.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 4-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallmaterial auf der Seitenwand abgeschieden wird.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (19) mit Polymer-Material gefüllt ist.