JP2019533834A - 光学システムを製造する方法および光学システム - Google Patents

Abstract

本発明は、光学システム、およびそれを製造する方法に関する。光学システムは、別個の少なくとも２つの光学部品１０、１１、および２つの光学部品１０、１１間の少なくとも１つの光学接続を有する。方法は、ａ）第１光学部品１０および別個の第２光学部品１１を設けるステップであって、第１光学部品１０は第１ビームプロファイル３０を有し、第２光学部品１１は第２ビームプロファイル３１を有するステップと、ｂ）第１光学部品１０および第２光学部品１１の配置、ならびに少なくとも１つのビーム整形要素４０、４１の形状および目標位置を定めることによって光学システムを設計するステップであって、ビーム整形要素４０、４１は、第１光学部品１０に、および／または第２光学部品１１に固定的に接続され、第１光学部品１０および第２光学部品１１の位置決め後に、第１光学部品１０と第２光学部品１１との間の光学結合が形成されるように、ビーム整形要素４０、４１は、第１ビームプロファイル３０および／または第２ビームプロファイル３１を変化させるように設定されるステップと、ｃ）三次元直接描画リソグラフィ法を用いて、ビーム整形要素４０、４１を目標位置にてその場で製造するステップであり、その結果、ビーム整形要素４０、４１により補われる、少なくとも１つの光学部品１５、１６が取得されるステップと、ｄ）ビーム整形要素４０、４１により補われる光学部品１５、１６を、共通ベースプレート５０上で位置決めおよび固定するステップであって、その結果、光学システムが取得されるステップと、を含む。本方法で製造される光学システムは、好ましくは、光データ転送、測定技術およびセンサ、生命科学および医療技術、または光信号処理に使用され得る。

Description

本発明は、光学、具体的には微小光学の分野であり、２つの光学部品の間に別個の少なくとも２つの光学部品および少なくとも１つの光学接続を有する光学システム、およびそれを製造するための方法に関する。光学部品は、たとえば、ガラスファイバ、または数ある中で、受光器、光源、変調器、パワー分割器または電力フィルタなどの受動型光学構造要素を備え得るフォトニック集積回路（ＰＩＣ）であり得る。他の種類の光学部品が考えられ得る。

光学接続は、「光学結合」とも呼称され、本明細書においては、第１光学部品と第２光学部品との間で光を伝送させることが可能である配置を含む。この配置は、ビーム整形光学要素を含むことができ、ビーム整形光学要素を用いて、構成要素の１つにより放射される光もしくは他の構成要素の１つにより受光される光の伝播方向および／または形状が修正され得る。

多くの場合において、光学結合における損失を可能な限り小さく維持することが望ましい。本明細書において使用される「結合効率」という用語は、受光光学部品により受光される光強度と放射光学部品により放射される光強度との比率を表す。

本発明の方法を用いて製造される光学システムは、好ましくは、光データ転送、測定技術およびセンサ、生命科学および医療技術、または光信号処理に使用され得る。使用のさらなる適用が、考えられ得る。

光学システムのセットアップに関する重要なステップの１つは、システムを形成する光学部品間の光学接続である。損失の小さい光学結合の場合、２つの態様が特に重要である。第１に、接続される光学部品が、第１の構造要素のファセットにより放射される光が、特定の位置にて特定の方向から、第２の構造要素のファセットに入射するように、互いに対し調節され、固定されること。この目的のため、接続される構成要素は、有利には、位置および向きの両方に関して、高精度で調節および取り付けされる。さらに、第１の構成要素により放射される光は、可能な限り最大の結合効率を達成するように、第２の構成要素のファセットに、有利な場分布（field distribution）を有するべきである。これら２つの態様が、今日使用される結合方法の焦点である。

光学部品の「ファセット」という用語は、本明細書において、放射の際に光が最後に横切る発光光学部品の表面に関する。反対に、受光光学部品のファセットは、光学部品が受光する際に光が最初に当たる光学部品の表面を示す。「モードフィールド」または「ビームプロファイル」という用語は、ともに、光学部品により放射される光場（light field）の場分布を表し、光学部品のファセットにおけるモードフィールドと、特定の、さらなる位置の平面におけるモードフィールドとの間で、区別がなされ得る。「モードフィールドを変化させる」とは、ビームの方向の伝播に関し、モードフィールドに影響を及ぼすことを意味する。ここでは、この変化は、具体的には、ビーム整形部品を用いたコリメーション、拡大または集束から成ってもよい。「モードフィールド径」という用語は、光学部品により放射される特定のモードの強度分布の空間的範囲を表す。ガウスビームプロファイルが頻繁に生じる場合、空間的範囲は、たとえば、光の強度が、光の最大強度の１／ｅ２よりも大きい、すなわち、約１３．５％を超える領域の直径により定義される。楕円形のビームプロファイルなど、非回転対称性ビームプロファイルでは、典型的に最大径と最小径との間で区別がなされる。

「位置決め精度」という用語は、目標位置と比較による、位置決めおよび固定後の、２つの光学部品の実際の位置の、すべての静的偏差およびシステム偏差の合計に関する。モードフィールド径が大きいと、概して、平行移動位置決めに関して位置決め公差が大きくなり、一方で、モードフィールド径が小さいと、平行移動位置決めに関して位置決め公差が小さくなる。この状況における位置決め公差は、結合効率の、最大結合での、光学部品の目標位置からの実際の位置のずれに対する相関関係を表す。大きい位置決め公差は、目標位置からの実際の位置のずれに対して、結合効率の相関関係が小さいことを特徴とする。

システムの組み立ての際の光学構造要素の調節に関して、能動的位置決め方法および受動的位置決め方法と呼称されるものとで区別される。受動的位置決め方法においては、互いに対する、接続される光学部品の調節は、典型的に、多くの場合、撮像方法を用いて、光学部品のための停止部または取付部などの機械的構造を使用して達成される。これらの方法は、比較的容易に実施され得るが、達成可能な正確性は限られる。これは、接続される光学部品が、導波路コアとクラッドとの屈折率差が大きい、横方向のシングルモードの導波路を有する場合、特に問題となる。この場合、構造要素のファセット上の場分布は、それぞれの導波路のモードフィールドにより決定され、モードフィールドは、多くの場合、数マイクロメータの、または１μｍより小さい直径を有してもよい。たとえば、リン化インジウム（ＩｎＰ）またはシリコンで作製される導波路は、１マイクロメータ以下のモードフィールド径を有する。これらのモードフィールド径は、導波路を狭くする（「テーパ部」とも呼称される）、広くすることにより、典型的に、２μｍ〜４μｍにまで増加し得るが、多くの場合、これは、著しく楕円形のモードフィールドにつながる。

高い結合効率には、前述のモードフィールド径のわずかな大きさの桁での位置決め精度が必要とされ、したがって、多くの場合、使用される撮像方法の機械公差または限られた解像度のため、受動的な位置合わせ方法では達成可能ではない。したがって、受動的な位置合わせ方法は、主に、マルチモード光学導波路を用いた構成要素の光学結合のために使用され、構造要素のファセットにおける入力結合または出力結合されたフィールドの分布が、多くの場合、１０μｍよりも有意に大きい直径を有し、構造要素の位置決め精度に関する要件が、それに応じて低減される。しかし、そのようなマルチモードフォトニックシステムは、それらの性能に関して大きく制限され、それによって、たとえば最大の伝送可能データ速度、または伝送リンクの長さにおいて、それ自体が通信システム内で感知される。この理由により、横シングルモード導波路を有する光学システムが、多くの場合好まれる。

他方では、モードフィールド径の小さい、シングルモード導波路を結合するために、たいていは能動的な位置合わせ方法が使用され、位置合わせ工程の間、結合効率が持続的に測定および最大化される。これらの方法は、機械的停止部または高解像度の撮像方法なしで動作するが、接続される構成要素の１つにより光が放射されること、および第２の構成要素内へと結合される光の一部が計測学的に判定されることが必要となる。これは、典型的に、２つの構成要素の電気的または光学的接触接続を、そしてその結果、比較的複雑な方法を必要とし、多くの場合、これは、多大な量の手作業のステップが要求される。さらに、接着結合方法が、多くの場合、組立て後に構造要素を付着させるために使用される。接着剤の収縮が、潜在的に構造要素の不良位置合わせを引き起こすことを防止するために、結合効率は、多くの場合、結合位置の硬化処理全体の間、監視および維持されるべきである。これには、能動的位置合わせ方法においてはスループットが比較的低く、結果、それに対応して、光学的構築技術のコストが高い、多くの場合、使用される光学部品のコストを超えるという効果がある。多くの場合、小さいモードフィールドを有する結合部品は、実際には原則的に不可能である。これは、たとえば、それぞれが複数の結合位置を有する構成要素の同時光学接続に当てはまり、それらの互いに対する位置は、製造工程による、モードフィールド径の規模のずれを有する。重要な例として、アレイとして知られるものを形成するように組み合わされる、複数のガラスファイバの結合がある。ここでは、個々のファイバの距離のばらつきは、数マイクロメータ以下であり、これは、小さいモードフィールド径を有する導波路アレイに対する、すべてのガラスファイバの同時の調節は困難であるということを意味する。

結合効率に関する大きな要求に加えて、多くの場合、接続される光学部品のファセットにおける光学場分布が、振幅および／または位相に関して互いから大きくずれて、これにより、位置決めが最適であっても結合効率が比較的低くなるという問題がある。これにより、多くの場合、マイクロレンズなどの必要な追加の要素が、球形、円筒形または概して非球形の形状を有し、同様に、極めて正確に、接続される光学部品の間に位置決めされる。位置合わせにおける自由度、そして位置合わせの複雑さを有意に上昇させるだけでなく、比較的大きな配置となり、それは、多くの場合、実際に要求されるコンパクト性および堅牢性に関する仕様を満たすことが不可能である。最適化されるべきである大きな自由度は、組立てを著しく複雑化する。さらに、レーザーまたはスーパールミネセントダイオード（ＳＬＥＤｓ）などの光源に結合する際に問題となり得る大きな反射損失および後方反射が、具体的には、ビーム経路内の光学表面の数が多い場合に生じ得る。

ガラスファイバが光学チップに結合される場合、モードフィールドの適合もまた、レンズドファイバにより、達成され得て、レンズドファイバは、ファイバファセットの、相応に湾曲した表面を示し、湾曲した表面は、ここでは、集束レンズの機能を発揮する。ファイバファセットの湾曲した表面は、たとえば溶融、エッチングまたは研磨により取得されてもよい。この方法は、個別のファイバ・チップ接続のために開発され、および既に、この状況において、シングルモードファイバをレーザーダイオードに結合するために長年使用されている。しかし、特に、モードフィールドが楕円形の横断面を有する場合、達成可能な結合損失が比較的高い。これは、主に、焦点板の表面の正確な形状に対する制御が不十分であるためである。さらに、レンズドファイバの製造は、典型的に、個別のファイバに対してのみ可能であるため、方法は、多大な困難を伴ってのみ、ファイバアレイとの結合へと移され得る。

光学チップは、導波路のファセットによってのみではなく、チップ表面上の対応する結合構造によっても、チップ縁部に結合され得る。そのような方法は、現在では、主に、シリコンフォトニクスチップとして知られるものの結合の際に使用される。ここでは、ファイバまたはファイバのアレイは、光をチップ平面へと回折させ、対応する導波路へと集束させる光学チップ上に統合される格子に対し、具体的には略９０°の鋭角で方向決めされる。この概念は、チップ全体の上での導波路の光学結合を可能にし、特に、チップ縁部上における導波路のファセットの複雑な準備を必要としないという利点を有する。これにより、製造中に、単純な切断方法を使用してチップを個片化することが可能になるが、一方で、導波路縁部による結合の場合、有意により複雑な分離方法が、おそらくはその後に続く研磨またはエッチング工程と組み合されて使用される。しかし、格子カプラは、多くの場合、比較的高い損失を示し、さらに、比較的狭帯域のスペクトル範囲に亘ってのみ効率的な結合を可能にする。

代替的アプローチとして、特許文献１が、三次元直接描画リソグラフィ法により、その場で製造されるポリマー導波路（フォトニックワイヤボンド、ＰＷＢ）を使用して光学部品を接続する方法を開示している。接続される光学部品は、ここでは最初に、共通ベースプレート上に低精度で固定され、その後に、ポリマー導波路を使用して互いに接続される。この方法は、ポリマー導波路の形状は、構成要素の実際の位置に適合されてもよいため、接続される光学部品の高精度の位置合わせを必要としない。しかし、概念は、それを用いて製造されるマイクロ光学システムの構造に関して、制限が少ない。たとえば、フォトニックワイヤボンドは、ポリマー導波路による光学要素の機械的接続を常に要求するが、これは多くの場合、たとえば、光学要素間の距離が、ＰＷＢの製造に適した従来のリソグラフィシステムの描画面よりも有意に大きい場合、不可能である。同様に、フォトニックワイヤボンドによる光学接続は解放可能ではなく、具体的には、プラグ可能な接続を生成するために使用することができない。さらに、接続される光学部品の結合位置にアクセス可能であるということが、フォトニックワイヤボンディング中に問題をもたらす。ここで記載される作業工程により、光学部品は最初に、共通の構造要素キャリアに固定されること、および結果として生じるマルチチップモジュールは、リソグラフィによって生産されるフォトニックワイヤボンドを用いる第２のステップにおいてのみ提供されるということがもたらされる。これにより高開口数のリソグラフィシステムが必要とされるため、フォトニックワイヤボンドは、実際には、マルチチップモジュールの上部表面、または他の、外側に面する表面にのみ製造され得る。結合位置をモジュール内部、またはモジュールに関連するハウジング内に設定することは、リソグラフィビームの妨害またはシャドーイングが生じるため、実現不可能である。同様に、フォトニックワイヤボンドを使用して、光学部品をチップ（チップの積層）の形態で積層し、別々の層を互いに、光学的に接続することは不可能である。さらに、たとえば金属製ワイヤボンドが使用される光学部品の電気的接続は、光学結合位置がアクセス可能なままであるように設定されるべきである。これは、多くの場合、光学的接続および電気的接続が交互になる、比較的複雑な製造手段を必要とする。さらなる不利な点は、リソグラフィ方法の一部である下流工程、たとえば、製造される導波路の構造を自由にするための、現像装置を用いた露光されたフォトレジストの処理であり、マルチチップモジュール全体が溶媒に接触させられ、好ましくは、それに対応して、化学的耐性を有する材料で作製されるべきである処理に関する。最後に、ポリマー導波路は多くの場合、ポリマー導波路を囲繞して屈折率差を設定するクラッド材料を必要とし、それにより方法がさらにより複雑となる。

特許文献２は、三次元フォトニック部品をリソグラフィによって製造するための方法を開示しており、その方法は、互いに対し精密に調節され、その間で光が伝送される少なくとも２つの光学要素を含む。光学要素の相対的な調節の高い精度は、二光子リソグラフィを用いて単一操作でそれらを製造することにより達成される。したがってこの方法は、三次元直接描画リソグラフィにより１ステップで完全に製造され、互いに対し精密に調節される要素を含む光学部品に関連する。既存の光学部品と、リソグラフィによって製造される、さらなる追加の要素との組み合わせは扱われていない。それに応じて、方法は、また、既存の光学部品間の強固かつ有効な結合を可能にしない。

特許文献３は、端面発光型レーザーの楕円形モードフィールドを、可能な限り損失なしで、回転対称性のモードフィールドを有するシングルモードファイバへと結合するための配置を開示している。配置は、それぞれがビーム経路内で個別に位置決めされる集束レンズとアナモルフィックマイクロレンズとの個別の組み合わせを含む。位置決め精度に関する要件を低減させるため、アナモルフィックマイクロレンズはファイバファセットの付近に位置決めされ、集束レンズはレーザーファセットの付近に位置決めされる。集束レンズおよびアナモルフィックマイクロレンズは、レーザーまたはファイバファセットに対し、５または６自由度で精密に、個別に調節および固定されるため、大きな組立て労力が必要とされる。

特許文献４は、三次元直接描画リソグラフィ法を用いる、光学プリント基板内のビア（貫通孔）内における光学ミラーの製造を開示している。ミラーは、プリント基板内に埋め込まれる導波路の光学結合の役割を果たす。この概念は、いかに結合される光ビームが製造されるかには言及しない、つまり、第２光学部品への結合にも、ビーム整形の関連の態様または機械公差にも焦点を当てていない。

非特許文献１は、３Ｄ二光子リソグラフィをシングルモードファイバのファセットに対し使用する構造の製造を記載している。ここで製造される構造は、ファイバコアに対する構造の配置中の精度要件を低減するために、シングルモードファイバのファセットからの距離が可能な限り大きく描かれている。この文献は、集積チップなど、追加の光学構造要素への結合に焦点を当てていない。

非特許文献２は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を使用するレーザー上に、シリンドリカルレンズを製造するためのアプローチを記載している。ここでは、減じる方法が使用される、つまり、屈折効果を有する表面を製造するために、構造要素のファセットから材料が取り除かれる。しかし、この方法では、光学部品ごとに最大で１つのみのビーム整形表面の製造が可能である。さらに、構造要素の位置決め中に、この方法を使用して、精度要件を低減させるためにモードフィールドを拡大させることは不可能である、または非常に限られた程度のみ可能である。さらに、この製造方法は、レーザーの結晶格子への損傷が生じてもよく、すべての構造要素に対し適切でない。さらに、ＦＩＢを用いる製造方法は、時間および費用が非常にかかるため、拡張性がない。

非特許文献３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）により生成される光のビーム整形のための、３Ｄの自由形態の光学素子の製造を記載している。そこに記載された自由形態の光学素子を用いて、追加の光学部品への結合は可能でなく、多数の横方向モードを有する光場のために設計されている。

非特許文献４は、３Ｄプリントを使用したシングルモード光ファイバ上の、巨視的な自由形態の光学素子の製造を記載しており、ビーム発散のビーム光学適合の可能性が示されている。しかし、光学接続のための適用は言及されていない。

非特許文献５は、３Ｄリソグラフィを用いる、マイクロ光学チップ上におけるレンズの製造、およびファイバ中における結合実験を記載している。しかし、ビーム整形光学要素は、ここでは、１つの光学部品上にのみ描かれ、ビームは、ガラスファイバのファセット上に集束されているが、それによって、ガラスファイバのモードフィールド径を超える位置決め公差の増加は達成され得ない。さらに、この刊行物に記載される実験では、構成要素は、一時的な結合のみのために微小位置決め段階を使用して、互いに対し配置されていた。

非特許文献６は、３Ｄリソグラフィを使用した、光ファイバ上のレンズの製造、およびレーザーを用いた結合実験を記載している。しかし、ビーム整形光学要素は、ここでは、１つの光学部品上にのみ描かれ、それによって、関係のある光学部品のモードフィールド径を超える、位置決め公差の増加は達成され得なかった。さらに、ここでは、また、構成要素は、一時的な結合のみのために微小位置決め段階を使用して、互いに対し配置されていた。

非特許文献７は、平面状の集積型導波路内で、基板表面に対し垂直の方向で導光される光の出力結合をもたらす、マイクロ３Ｄプリントにより製造される導波路−レンズの組み合わせを記載している。これらの構造要素は、光をシリコン−フォトニック導波路から垂直方向に偏向させ、レンズを介して自由空間内へと放射し得るプリントされた導波路からなる。

特許文献５は、直接描画リソグラフィ法を用いて光学部品上に付加的に製造される偏向要素を開示しており、偏向要素は、面発光構造要素により、基板平面に対し垂直に放射される光ビームを、基板平面に対し平行の方向に偏向させること、ならびに、処理中にビームの高さおよび直径を、互いに対して独立して定めることを可能にする。

さらに、別個の光学部品、および光学部品間の少なくとも１つの光学接続を含む、さらなる光学システム、ならびにそれらを製造するための方法が知られている。特許文献６は、平面状ミラー構造、または従来のシリコン微細構造を使用して製造されるレリーフが設けられるミラー構造を備える、導光システムのための光電子部品の組立のためのキャリアを開示している。特許文献７には、光電子部品と光ファイバとを接続させるために機能する光学モジュールホルダが記載されており、最初に、モジュールホルダが、射出成型を用いて樹脂材料から一体的に製造され、そして光ファイバおよび／または光電子部品が、それらのために設けられる切り抜き部内に導入および固定される。特許文献８は、互いに対し位置決めされ、シリコン微細構造を用いて固定される個別の複数のレンズの配置を開示する。特許文献９には、一体化された顕微操作システムを使用して、屈折率分布型レンズ（gradient index lenses：ＧＲＩＮレンズ）が、予め組み立てられた光ファイバのファセットに対し調節されるシステムが記載されている。特許文献１０には、光電子部品とシングルモードファイバとを接続させるための結合構造が記載され、結合構造により、位置決め公差が増加され得る。ＧａＡｓウェハの背面に構造化されるマイクロレンズ、またはシングルモードファイバの端部に配置される屈折率分布型レンズなどのビーム整形要素が使用される。ウェハの背面のマイクロレンズの高精度の構造化は、ここでは、特定の製造工程を必要とし、光電子構造要素の特定の分類にのみ、追加で適用可能である。

米国特許第８，９０３，２０５号明細書 米国特許第９，００２，１５７号明細書 欧州特許出願公開第０９４０７０１号明細書 米国特許第８９６８９８７号明細書 欧州特許出願公開第３１３０９５０号明細書 独国特許出願公開第１９９２９８７８号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１４２８１５号明細書 欧州特許第０７８１４２３号明細書 米国特許第６３０２５９３号明細書 米国特許第６２５３００４号明細書

Zukauskas et al., Improvement of the Fabrication Accuracy of Fiber Tip Microoptical Components via Mode Field Expansion, Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol.9, No.1, pages 68-72, 2014 Y. Fu et al., Integrated Micro-Cylindrical Lens with Laser Diode for Single-Mode Fiber Coupling, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, No.9, page 1213, 2000 S. Thiele et al., Ultra-compact on-chip LED collimation optics by 3D-printing, Opt. Lett. 41, page 3029, 2016 T. Gissibl et al., Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives, Nature Photonics 10, 2016 Schneider et al., Optical coherence tomography system mass-producible on a silicon photonic chip, Opt. Express 24, pages 1573-1586, 2016 Dietrich et al., Lenses for Low-Loss Chip-to-Fiber and Fiber-to-Fiber Coupling Fabricated by 3D Direct-Write Lithography, Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO'16), Paper SM1G.4., 2016 M. Blaicher, Towards Scalable Hybrid 2D-3D Nanophotonic Circuits, final master's thesis, Karlsruher Institut fuer Technologie, 2014

以下において、本発明の目的は、少なくとも部分的に先行技術の前述の不利な点および制限を克服する方法および装置を提供することである。

具体的には、損失が可能な限り小さい、堅牢かつ自動化可能な組立工程で、同じまたは異なるモードフィールド径を有してもよい光学部品の光相互接続を可能にする方法が提供され得る。ここでは、効率的な光学接続が、具体的には、広帯域の光、つまり異なる波長を有する光においても可能である。ここでは、組立工程は、位置決め精度に関して、可能な限り低い要件を要すべきであり、結果として、可能である限りは、受動的位置決め方法で組み立てることが可能であるべきである。効率的な組み立てのために、組立工程における機械的自由度は、可能な限り小さく維持されるべきである。この点について、接続される光学部品のファセットにおいて様々な場分布を適合させるために、マイクロレンズなどの追加の個別の光学要素の使用もまた回避されるべきである。さらに、方法は、組み立て前に光学チップを個片化する場合、精度および表面の品質に関して、可能な限り低い要件を有するべきであり、治療の様々な光学部品に汎用的に適用可能であるべきである。

この目的は、光学システムを製造する方法によって、および独立請求項の特徴を有する光学システムによって達成される。個別に、または任意の望ましい組み合わせで実現可能である有利な展開が、従属請求項において提供される。

「有する」、「含む」、もしくは「備える」という語句、またはそれらの、任意の望ましい、文法上の派生語は、以下において非独占的に使用される。それに応じて、これらの語句は、それらの語句により導入される特徴に加えて、さらなる特徴が存在しないという状況、および１つまたは複数のさらなる特徴が存在する状況の両方に関連してもよい。たとえば、「ＡはＢを有する」、「ＡはＢを含む」、または「ＡはＢを備える」という表現は、Ｂに加えてさらなる要素がＡに存在しないという状況（すなわち、ＡはＢのみからなるという状況）、およびＢに加えて、要素Ｃ、要素ＣおよびＤ、またはさらにそれ以上の要素など、１つまたは複数のさらなる要素がＡに存在する状況の両方に関連する。

さらには、「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」という表現、ならびにそれらの表現、およびこれらの表現の文法上の派生語は、１つまたは複数の要素または特徴に関連して使用される際に、前述の表現が、要素または特徴は、１回または複数回提供されてもよいことを表すように意図される場合には、概して、たとえば、特徴または要素の最初の導入の際に１度のみ使用されることを指摘する。特徴または要素が、その後に再度言及される場合、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」という対応する用語は、概して、特徴または要素が１回または複数回提供されてもよいという可能性を制限せずに、再度使用されない。

さらに、「好ましくは」、「具体的には」、「たとえば」という語句、または類似の語句は、代替の実施形態が制限されることなく、任意の特徴に関連して使用される。たとえば、これらの語句によって導入される特徴は、任意の特徴であり、これらの特徴により、請求の範囲、および特に独立請求項を制限する意図はない。たとえば、本発明は、当業者が理解するように、異なる構成を用いて実行されてもよい。同様に、「本発明の実施形態において」により、または「本発明の例示的な実施形態において」により導入される特徴は、任意の特徴であると理解され、代替の構成または独立請求項の範囲が本明細書において制限されるように意図されることはない。さらに、これらの導入する表現は、本明細書において導入される特徴を、他の特徴と、それが任意または非任意の特徴であれ、組み合わせる可能性のすべてに触れることを意図しない。

第１の態様として、本発明は、別個の少なくとも２つの光学部品、および２つの光学部品の間に少なくとも１つの光学接続を有する光学システムを製造する方法に関する。既に説明したように、光学接続は、「光学結合」と呼称されてもよく、光学的誘導が可能である装置を備え、装置は、好ましくは、可能な限り少ない損失で、光が第１光学部品と第２光学部品との間で、具体的には、光学部品の１つから第２光学部品へと、および／または第２光学部品から第１光学部品へと伝送されることが可能であることを保証する。光学結合の質は、「結合効率」という用語によって表されてもよく、結合効率は、受光光学部品が受光する光強度と、放射光学部品が放射する光強度との比率を示し、光学システムにおける光学部品の配置に応じて第１または第２光学部品は、受光または放射光学部品として使用されてもよい。

本方法は、好ましくは、ステップａ）で始まりステップｄ）で終了する、明示された順番で行われる以下のステップを含み、１つまたは複数の、具体的には連続したステップは、少なくとも部分的に同時にも行われてもよい。
ａ）少なくとも１つの第１光学部品および別個の少なくとも１つの第２光学部品を設けるステップであって、第１光学部品は第１ビームプロファイルを有し、第２光学部品は第２ビームプロファイルを有するステップ
ｂ）第１光学部品および第２光学部品の配置、ならびに少なくとも１つのビーム整形要素の形状および目標位置を定めることによって光学システムを設計するステップであって、ビーム整形要素は、第１光学部品に、および／または第２光学部品に固定的に接続され、第１光学部品および第２光学部品の位置決め後に、第１光学部品と第２光学部品との間の光学結合が形成されるように、ビーム整形要素は、第１ビームプロファイルおよび／または第２ビームプロファイルを変化させるように設定されるステップ
ｃ）三次元直接描画リソグラフィ法を用いて、ビーム整形要素を目標位置にてその場で製造するステップであり、その結果、ビーム整形要素により補われる、光学部品が取得されるステップ
ｄ）ビーム整形要素により補われる光学部品を、共通ベースプレート上で位置決めおよび固定するステップであって、その結果、光学システムが取得されるステップ

特に好ましい構成では、前述のステップｂ）〜ｄ）が以下の通り行われるように、別個の２つのビーム整形要素が使用されてもよい。
ｂ）第１光学部品および第２光学部品の配置、ならびに第１ビーム整形要素および第２ビーム整形要素の形状および目標位置を定めることによって微小光学システムを設計するステップであって、第１ビーム整形要素は第１光学部品に固定的に接続され、第２ビーム整形要素は第２光学部品に固定的に接続され、第１光学部品および第２光学部品の位置決め後に、第１光学部品と第２光学部品との間の光学結合が形成されるように、第１ビーム整形要素は第１ビームプロファイルを変化させるように設定され、第２ビーム整形要素は第２ビームプロファイルを変化させるように設定されるステップと、
ｃ）三次元直接描画リソグラフィ法を使用して、第１微小光学部品および第２微小光学部品の目標位置においてその場で第１ビーム整形要素および第２ビーム整形要素を製造するステップであり、その結果、第１ビーム整形要素により補われる第１微小光学部品、および第２ビーム整形要素により補われる第２微小光学部品が取得されるステップ
ｄ）第１ビーム整形要素により補われる光学部品、および第２ビーム整形要素により補われる光学部品を、共通基盤上に位置決めおよび固定するステップであって、その結果、光学システムが取得されるステップ

ステップａ）によると、接続される光学部品が設けられ、光学部品の関連のビームプロファイルに関連する情報が提供される。このため、好ましくは、光学部品のそれぞれは、有機もしくは無機材料製のシングルモードファイバもしくはマルチモードファイバ、レーザー、フォトダイオード、スーパールミネセントダイオード、もしくはシリコンフォトニクスチップなどの半導体系の集積光学チップ、ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、もしくはポリマーなどの、半導体もしくは誘電材料を基にする他の集積光学チップ、光学プリント基板、または、レンズ、ビームスプリッタ、アイソレータ、ミラーもしくは回折格子などの自由ビーム光学系（free beam optics）のための要素を含む群から選択される。光学部品は、低い屈折率差（たとえばガラスを基にする光学導波路）を有するか、光学導波路、または、媒体を有する、もしくは高い屈折率差を有する光学導波路（たとえば半導体系の導波路）を有し得る。光の入力結合および出力結合は、光学部品の縁部、たとえば端面発光型レーザーの、もしくは対応するファセットを有する導波路を基にするシステムのチップ縁部にて、またはたとえば面発光レーザー（垂直共振器面発光レーザー、ＶＣＳＥＬ）内、表面照射型フォトダイオード内、もしくは対応する結合構造（たとえば、格子カプラ、偏向ミラー）を備える、導波路を基にするチップ内の上部表面にて行われてもよい。対応するビームプロファイルに関連する情報は、組立工程中または組立工程前に（レーザー）ビーム診断（「ビームプロファイラ」）のための市販の装置を使用して、構造要素の設計データから引き出されてもよい、および／または計測学的に取得されてもよい。計測学的方法は、ビームプロファイルの形状および位置における構造要素に特定のずれが個別に補われ、ステップｂ）においてビーム整形要素を設計するために使用される場合に、特に適切である。このようにして、光学部品の製造に関連する公差を補償することが可能であり、それ以外ではビーム整形要素の対応する構成により回避することが困難である。

ステップｂ）によると、接続される光学部品の目標位置と、関連のビーム整形要素の三次元形状、およびそれぞれの光学部品に対するその目標位置の計画との両方を備える、実施されるべき光学システムが設計される。多くの場合、少なくとも接続されるべき光学部品の配置、および概略の目標位置を含むシステムの第１の設計が既に存在し、その結果、前述の目標位置の、光学部品の製造に関連する公差など、個別の詳細事項への可能な適合のみが考慮されてもよい。目標位置は、ベースプレート平面における横方向位置、およびベースプレート平面に対し垂直である垂直位置の両方を有してもよい。また、具体的な構成では、目標位置は、良好にコリメートされた光ビームの場合、具体的に、目標位置は、特定領域に亘って選択的にコリメートビームの伝播方向に沿って定義され得るという点で定義され得る。

接続されるべき光学要素の位置決めは、好ましくは、ビームプロファイルの光軸が互いに共線状となるように調節され、その結果、２つの光学部品のファセットが、互いに逆向きとなるように実施されてもよい。この場合、単に、ビーム整形要素によりモードフィールドの適合が実施される。代替的に、位置決めは、ビームプロファイルの軸が共通平面に位置するが、互いに対し共線状ではないように実施されてもよい。この場合、ビーム整形要素は、モードフィールドの適合に加えて、好ましくは、修正されたビームプロファイルの伝播方向の適合も行う。修正されていないビームプロファイルの軸は、ここでは、任意の所望の角度を含んでもよい。ビーム整形要素を製造する際に全内部反射の既知の効果を活用するために、具体的には、９０°からずれた角度を用いることも可能であり、その結果、光の、全反射表面への十分に平坦な入射が可能となり得る。

ステップｂ）の間、さらに、接続される光学部品のビームプロファイルに影響を及ぼす少なくとも１つのビーム整形要素が、与えられる機械公差に対し、光学部品間で損失の小さい結合が可能であるように設計される。この目的は、使用される組立てシステムに対し十分に大きい位置決め公差を有する、損失の小さい光学結合を生み出すことである。多くの場合、回転性の調節精度の公差および平行移動位置決め精度の公差が、互いに対し比較検討される必要がある。平行移動位置決め精度の公差を増大させることは、典型的に、ビーム発散を減少させ、その結果、回転性の調節精度の公差を減少させる、モードフィールド径を幅広くすることに関連し得る。必要とされる場合、ビーム整形要素の適切な設計を使用して、光学部品内のモードフィールドの形状および位置における、製造固有の個別のバラツキを追加で補償することが可能である。

結合損失をさらに減少させるための、ビーム整形要素からずれる屈折率を有する、光学的に透明な埋め込み媒体に後の埋め込みを提供すること、およびこれを、実施されるシステム全体の設計において考慮することは有利であり得る。この結果、ビーム整形要素の形状および数が変化し得る。

ビーム整形のために、少なくとも部分的に、光学的に透明な領域で構成される要素が使用されてもよく、光学的に透明な領域は、それぞれの構造要素のファセットに隣接してもよく、与えられるモードフィールド径にて、ファセットを出射するビームの発散角が小さくなってもよい。一方で、高出力の光学接続の場合、自由空間における伝播によりモードフィールドが既に拡大されている位置にて、ビーム整形要素を構造化し、その結果、ビーム整形要素の領域内の出力密度が低く維持されることは有利であってもよい。

少なくとも１つのビーム整形要素を設計するために、シミュレーションが行われてもよい。好ましい実施形態では、光学接続は、接続される光学要素のビームプロファイルが、１つのビーム整形要素または複数のビーム整形要素により変形され、発散の小さい大きなビーム径を有するように設定される。１．５５μｍの波長におけるモードフィールド径のサイズは、好ましくは、ここでは、５μｍ〜１００μｍ、特に好ましくは、１０μｍ〜８０μｍ、具体的には１５μｍ〜５０μｍの値を有し得る。ビーム整形要素は、それぞれの構成要素の局所座標系における精密性の高い三次元直接描画リソグラフィ法を使用して、１つまたは複数の操作で製造される、１つまたは複数の部分で構成されてもよい。

好ましい実施形態では、光学接続のビーム経路は、具体的には以下の部分を有してもよい。
（ｉ）ビーム拡大部分であって、この部分のビーム径が増大することを特徴とする。ビーム拡大部分は、光学要素を出射する光場の自然発散を使用してもよい、および／またはビーム整形要素の部分要素により光場を修正してもよい。この発散は、具体的には、３Ｄ構造化のための方法、たとえば二光子リソグラフィを使用して製造され得る凹レンズ、凸面ミラーまたは回折要素を使用して増大され得る。さらなる拡大の可能性が、導波構造の製造にあってもよく、最初にモードフィールド径を減少させる。自由空間中の光学部品の外部における、その後のビームの伝播を用いて、これは、大きな発散を生じる。ビーム拡大部分における光の発散ビーム、および／または遠方野における光ビームの想像延長（fictitious continuation）は、好ましくは、最大強度の１３．５％の強度に対する開き半角として定義され、最大で６°、特に好ましくは最大で１５°、具体的には最大で３０°である。
（ii）コリメートされた部分、ビーム径がこの部分の内部でわずかにのみ変化することを特徴とする。ビーム拡大部分と、コリメートされた拡大部分との間の移行領域において、コリメート光学要素は、好ましくは、たとえば凹面ミラーまたは凸レンズとして使用されてもよい。ここでは、たとえば、ビームウェストが形成されてもよい。「ビームウェスト」は、ここでは、略平面の同位相波面が生じるガウスまたはガウス状ビームの位置に、位置してもよい。１５５０ｎｍの波長におけるビームウェストのサイズ、つまり、ウェスト直径は、好ましくは、５μｍ〜１００μｍ、特に好ましくは１０μｍ〜８０μｍ、具体的には１５μｍ〜５０μｍの値を有し得る。開き半角に対する関連のビーム発散は、ガウスビームの関連する等式より得られ、好ましくは、最大で１２°、具体的には好ましくは、最大で６°、具体的には最大で４°である。１５５０ｎｍより大きいまたは小さい波長においては、これらの値は適宜変化してもよい。好ましくは、第１ビーム整形要素により生み出される場分布は、ここでは、可能な限り、最大効率で第２のビーム整形部品から第２光学部品へ結合される場分布に一致する。
（iii）ビーム絞り部、ビーム径がここで再度減少することを特徴とする。ビーム絞り部の構成は、ここでは、セクション（ｉ）にて説明した測定に類似して実施され得る。

ビーム整形要素の設計後に、要素は、好ましくは、ステップｃ）によるその後の製造のために、機械読み取り可能なデータセットに変換されてもよい。機械可読形式への移行は、たとえば、ＳＴＬへの変換にある。ＳＴＬ（standard tessellation language）形式は、多くのＣＡＤシステムの標準的なインターフェースを表し、製造のための三次元データモデルの幾何情報を提供するように設定される。しかし、他の種類の機械可読形式も可能である。

ステップｃ）によると、ビーム整形要素は、三次元直接描画リソグラフィ法を用いて目標位置にてその場で製造される。ここでは、「三次元直接描画リソグラフィ法」という表現は、微細構造化の方法を示し、これにより、１つまたは複数の材料を、追加または減じる方法で、特定の三次元パターンまたはレイアウトに従い構造化または堆積させることが可能である。これにより、好ましくは１０００ｎｍよりも良い、特に好ましくは５００ｎｍよりも良い、さらに好ましくは１００ｎｍよりも良い精度で三次元構造を製造することが可能であり、ここで「三次元」という用語は、１つ、２つまたは３つの空間的方向における構造の可能な整形を示す。三次元直接描画リソグラフィ法の解像度は、ここでは、好ましくは、１０μｍよりも良い、特に好ましくは２μｍよりも良い、さらに好ましくは１μｍよりも良くてもよく、「解像度」という用語は、ここでは、方法により製造可能である最小の構造要素の最大限の範囲を参照する。三次元直接描画リソグラフィ法は、好ましくは、真空を必要とせず、通常の大気環境状態下で行われ得るように設計されてもよい。具体的には、材料の堆積または除去を、好ましくは５０μｍ³／ｓよりも大きい割合で、より好ましくは５００μｍ³／ｓよりも大きい割合で、さらに好ましくは１０００μｍ³／ｓよりも大きい割合で、さらに好ましくは１００００μｍ³／ｓよりも大きい割合で可能にする、追加または減じる方法の三次元直接描画リソグラフィ法が適切である。特に好ましい構成では、三次元直接描画リソグラフィ法は、直接描画リソグラフィ法および二光子リソグラフィから選択され得る。

「その場で」という用語は、ここでは、ビーム整形要素が、意図される目標位置に直接、具体的には、光学部品の１つに位置する構造要素のファセットまたは保持構造に直接、製造されることを特徴とする手順を表す。この方法により、このように製造されたビーム整形要素は、好ましくは、関連の光学部品に隣接し、それによって、光学部品に直接接続されてもよい、または光学部品の直接環境内に配置されてもよい。以下においてより詳細に説明するように、ビーム整形要素は、この目的のため、照明により構造化されることが可能である材料を含んでもよい。したがって、本方法は、先行技術により知られる、１つまたは複数のビーム整形要素が目標位置の外部の位置にて製造され、そして所望の目標位置にて挿入されるのみである手順とは異なる。しかし、これらの手順の不利な点は、具体的には、前に製造されたビーム整形要素の位置決めに関して、関連の組立工程に非常に高い要件が適用されなければならず、その結果、概して能動的位置決め方法が必要とされることである。

二光子リソグラフィを用いる場合、二光子の吸収が、高いピーク強度のパルスレーザーの焦点（フォーカス）にて引き起こされ、それにより、典型的にフォトレジスト（レジスト）と呼称される、光化学的に構造化可能な材料に化学変化がもたらされる。所望の構造を露光することによって、所望の構造は硬化され得る。フォトレジストの露光されていない部分は、現像ステップとも呼称される追加のステップにて、具体的には露光されていない材料を洗い流すことによって、除去されてもよく、その結果、所望の、露光された構造のみが残る。この方法は、また、露光された構造のみが溶け、残ったものは、このために使用される適切なレジスト材料とともに、後の現像ステップにおいて維持されるように構成されてもよい。説明した製造方法を用いて、どのような所望の形状の構造も製造され得る。具体的には、任意の所望の方法で、光ビームのモードフィールド径に影響を及ぼす（修正する）ように設定され、ここでは、ビーム整形要素とも呼称される構造を製造することが可能である。

直接描画レーザーリソグラフィに基づく好ましい構成では、製造されるビーム整形要素は、最初に複数の平面に分割され、平面は、互いに対し、好ましくは、２０ｎｍ〜５００ｎｍ、特に好ましくは４０ｎｍ〜２００ｎｍ、具体的には５０ｎｍ〜１５０ｎｍの距離で配置されてもよい。平面には、具体的には、好ましくは２０ｎｍ〜５００ｎｍ、特に好ましくは４０ｎｍ〜２００ｎｍ、具体的には５０ｎｍ〜１５０ｎｍの距離を有する複数の線が描画されてもよい。線の終点および開始点は、デカルト座標によるデータセットに記述されてもよい。しかし、円筒座標系に基づくなど、他の方法の表示が可能である。三次元直接描画レーザーリソグラフィシステムは、対応する線を走査し、この方法で三次元構造を製造してもよい。代替的に、光学部品の形状に適合され、たとえば、ビーム整形要素の表面上のステップ型構造の形成を防止するために、描画線が、好ましくは、表面に対し平行に案内される描画方法（writing strategies）を使用することが可能である。

特に好ましい構成では、ビーム整形要素は、同種の実施形態を有してもよく、したがって、光学部品または追加の保持構造と直接接触し（以下においてより詳細に説明する）、そこに固定的に接続され得る単一の材料で作製される単一の要素のみを備える。したがって、別個に製造されるまたは設けられる要素を互いに接続させるために、ボンディング手段を使って、具体的には接着剤を分注することが可能である。このようにして、光学システムの製造方法は、先行技術により知られる手順の使用に対し、さらに単純化されてもよい。

ステップｃ）は、具体的には、直接描画レーザーリソグラフィ方法を使用して、以下の通り行われてもよい。
（α）リソグラフィシステム内における光学部品の組み立て、およびリソグラフィシステムの座標系に対するそれらの位置の測定。この目的のため、具体的には、位置合わせマークが、チップ表面上で使用されてもよく、位置合わせマークは、チップ上に位置する光学部品と共に製造され、そのため、光学部品に対し精密に整列されてもよい。光学的に接続される導波路または結合構造などの、さらなる目的を満たす、典型的に既に存在する構造が、ここでは、位置合わせマークとして機能してもよい。位置合わせマークの取り込みは、たとえばカメラに基づく方法または別の撮像方法を使用して実施されてもよい。３つの位置で位置合わせマークを補足するために、たとえば、共焦点型撮像方法を用いることも可能である。具体的には、位置合わせマークを取り込む、および製造されるビーム整形要素を露光する両方のために、リソグラフィシステムの光ビーム経路の部分を使用することが可能である。
（β）光学部品の局所座標系における、ステップｂ）にて設計されるビーム整形要素の製造。ビーム整形要素は、ここでは、それぞれの関連の光学要素に固定的に接続される。ビーム整形部品が光学部品上で実現され得る位置決め精度は、ここでは、好ましくは５００ｎｍよりも良い、特に好ましくは２００ｎｍよりも良い、具体的には１００ｎｍよりも良くてもよい。この位置決め精度を得るために、位置合わせマークが使用されてもよく、位置合わせマークは、光学部品上に適用され、好ましくは３００ｎｍよりも良い、特に好ましくは１５０ｎｍよりも良い、具体的には７０ｎｍよりも良い精度の光学部品の導波路のファセットに対するその相対位置は、よく知られている。これらの位置合わせマークは、リソグラフィステップ中に、好ましくは、５００ｎｍ未満、特に好ましくは２００ｎｍ未満、具体的には１００ｎｍ未満の精度を有するずれで、高精度に補われてもよい。ビーム整形要素は、光学部品にて、または光学部品上に直接製造されてもよい。代替的に、ビーム整形要素もまた、ホルダにて、またはホルダ上に製造されてもよく、光学部品に固定的に接続されてもよい。具体的には、ホルダは、また、二次元構造のための構造化方法、具体的には二光子リソグラフィを用いて製造される構造であってもよい。ホルダは、ビーム整形要素の製造と同じ方法ステップにて製造されてもよい。

ステップｃ）の構成は、たとえば、接着促進剤による適切な表面改質部、またはアンカー効果を有するホルダの適用を含む、接続される光学部品の準備を任意で提供してもよい。

任意の構成では、ここでは、光学部品の少なくとも１つが、保持構造、具体的には、好ましくは、ベースプレート、表面被覆、および／または表面の機能化の形態で設定される、スペーサの形態の保持構造を有することが可能である。代替的または追加的に、保持構造は、また、好ましくは、ビーム整形要素の製造も含む、同じ方法ステップ中に行われ得るリソグラフィ法により製造されてもよい。保持構造を直接有してもよいスペーサおよび／またはビーム整形要素の使用は、具体的には、ビーム整形要素を、少なくとも１つの光学部品から空間的に分離し、その結果、リソグラフィビームを使用するビーム整形要素の描画中に引き起こされる光学部品への損傷が回避され得るために、有利であり得る。さらに、これにより、リソグラフィによる結果に対し、たとえば、金属製の構造要素の付近におけるシャドーイングまたは微小爆発により悪影響をもたらし得る、光学部品とリソグラフィレーザービームとの相互作用の大部分を防止することが可能になる。さらに、光学要素のファセットからの要素の距離が大きくなるにつれて、ビーム整形要素に入射する強度が低下し、その結果、間隔をあけることは、強い光強度に対する安定性の向上につながる。

さらに、光学部品の１つと関連のビーム整形要素との間に中間層を適用することが可能であり、中間層は、保持構造および／または接着促進剤として機能してもよい。ここでは、反射低減被覆が、ビーム整形要素の少なくとも１つの表面に適用されてもよい。代替的または追加的に、ビーム整形要素間の間隙は、光学透明材料で少なくとも部分的に充填され、光学透明材料は、ビーム整形要素間の反射損失を低減させるように、および／またはビーム整形要素を通過する光ビームの色収差を低減させるように設定されることも可能である。

概して、光学部品の準備は、リソグラフィ方法を用いての構造化により実施されてもよく、そのために、具体的には二光子リソグラフィが選択されてもよい。接続される光学部品の準備は、また、その後の製造工程との適合性を上昇させるステップを含んでもよい。これは、好ましくは、光学部品を、化学的適合性を上昇させる、反射を低減する、および／または付着を助長する材料で被覆することであってもよい。

ステップｄ）は、共通ベースプレート上で、位置決めおよび固定のための目標位置に、少なくとも１つのビーム整形要素により補われる光学部品を位置決めおよび固定することを準備する。前述した特に好ましい構成では、共通ベースプレート上で、位置決めおよび固定のための複数の目標位置に、２つのビーム整形要素により補われる複数の光学部品を位置決めおよび固定することが、ステップｄ）中にこのように実施される。ステップｃ）によりビーム整形要素はすでに目標位置にあるため、ビーム整形要素を個別に位置決めすることは、その結果、本方法により、必要ではない。共通ベースプレートは、ここでは、前述の光学要素がその上に位置決めおよび固定され得る単一のベースプレートの形態で構成されてもよい。しかし、ベースプレートは、代替的に、複数の個々のベースプレートの固定接続としても設定されてもよい。具体的には、追加の光学部品または電子部品は、ここでは、少なくとも光学部品の位置決めおよび固定のためのベースプレートとしても機能してもよい。

ビーム整形要素により補われる光学部品の位置決めは、好ましくは、使用されるビーム整形要素が、好ましくは５μｍよりも良い、特に好ましくは２μｍよりも良い、具体的には１μｍよりも良い精度で、それぞれに関連する光学部品に対して位置決めされてもよいように実施されてもよい。

ビーム整形要素により補われる光学部品を位置決めおよび固定する場合、位置決めするために、受動的方法および能動的方法の両方を使用することが可能である。好ましくは、ここでは、以下の、接着剤結合、超音波結合、はんだ付け、プラグ、クランプ、ねじ結合、光学的接触接合、冷間圧接、溶接、布設、分散力またはヤモリの肢を模する構造などによる静電気および／または磁力による結合のうちの１つが、固定方法の役割を果たし得るビーム整形要素の対応する構成を用いる場合、ここでは、好ましくは５００ｎｍより大きい公差で、特に好ましくは２μｍより大きい公差で、具体的には５μｍより大きい公差で動作することが可能である。光学部品の垂直方向の位置決めには、用いられる位置決め技術に応じて適切な、たとえば正確な高さ調節のためのステップ状のベースプレートの使用が、有利であってもよい。接続される光学要素の横方向の位置決めは、たとえばカメラに基づく方法を用いて、非常に精密に実施されてもよい。

追加の任意の構成では、光学部品およびビーム整形要素が、埋め込み媒体に埋め込まれてもよい。埋め込み媒体は、たとえば、好ましくは、紫外線照射への暴露の際に硬化する透明媒体であってもよい。埋め込み媒体は、環境による影響から光学構造要素、つまり光学部品およびビーム整形要素を保護する、および／または反射による光損失を減少させてもよい。その後の、光学構造要素の埋め込みは、好ましくは、先行するステップ、具体的には上で説明したシミュレーションにて考慮される。具体的には、ビーム整形部品は、また、埋め込み媒体内に製造されてもよい。ここでは、リソグラフィ機構の動作の際に好ましくは、個体媒体の屈折率を上昇または低下させる方法が使用されてもよい。

本発明による方法は、有利には、複数のビーム整形要素、具体的には複数の光学表面の数珠つなぎ（カスケーディング）を可能にしてもよい。このようにして、光学接続の技術的設計のための、多くの自由度が上昇し得る。これにより、具体的には、光ビームの光軸に沿った、任意の所望の位置に設置され得るビーム整形要素を使用して、非回転対称性ビームプロファイルを対称性ビームプロファイルへと変化させることが可能になる。しかし、光学表面の数珠つなぎ（カスケード）のさらなる適用例が想定され得る。

さらなる構成では、たとえばビーム整形要素の反射面を適切に傾斜させることによって、典型的に複数の光学表面を備える三次元自由形態の光学素子を使用して、レーザーまたはＳＬＥＤのような発光構造要素内への後方反射を防止することが可能である。

光ビームの拡大およびコリメーションにより生じ得る効果の１つは、伝播する光ビームの軸方向における位置決め精度に関する要件を低減させることである。適切にコリメートされた光ビームの軸方向における許容可能な位置ずれは、光ビームに対し横方向に、位置決め公差よりも数桁分大きい。

様々な光学構造要素間で、ビームプロファイルを増加およびコリメートすることによって、さらに、ビーム径に対し比較的に低膨張で、比較的長い部分に亘り伝播し得るビームが製造されることが可能である。特定の構成では、これにより、結合部品の内部において、追加の光学構造要素の導入を実施することが可能である。追加の光学構造要素は、好ましくは、光学チップ上で製造することがただ困難である構成要素、具体的には、光学薄膜フィルタ、偏光子、ビームスプリッタ、波長板、または、ファラデー回転子またはアイソレータなどの非可逆的構造要素であってもよい。

ビームプロファイルを拡大することによって構造要素の位置決め精度に関する要件を低減させることが可能であるが、同時に、概して、構造要素の互いに対する向きが調節される正確性に関する要件が上昇する。これは、ウェスト径の発散角に対する相関関係により、ガウスビームの簡単な例に図示されてもよい。平行移動位置決め誤差に対する感度の低下は、多くの場合、構造要素を調節する際の、回転性誤差に対する感度の上昇を犠牲にしてのみ達成され得る。方法の特定の実施形態では、ビーム整形要素を設計する際に、この目的間の矛盾は考慮され、これにより、平行移動の精度要件と回転の精度要件との間の最適なバランスが達成される。

１つまたは複数の光学構造要素を、光学的に高密度な媒体に埋め込むことによって、自由空間内の伝播に比較して、媒体内部におけるビーム発散の減少がもたらされてもよい。この効果は、試料を埋め込み、１よりも大きい屈折率を有する液浸媒体を使用してより大きな解像度を達成する液浸顕微鏡のものに類似である。液浸媒体は、液体または個体であってもよい。本発明のさらなる構成では、この効果は、ビーム整形要素が光学部品のファセットに隣接するという点に用いられてもよい。この構成は、具体的には、ファセットから距離を置いて位置するビーム整形要素を使用するコリメーションが、光臨界角により、可能であっても困難である、または不可能であるような、大きな発散で固有に放射する光学構造要素に望ましい。これは、たとえば、１．５５μｍの波長において、多くの場合、約１μｍの桁のモードフィールド径を有し、そしてそれに応じて大きな発散角を有する、シリコン・オン・アイソレータ・ナノ導波路の前面への光学結合の場合である。

説明した光ビームの拡大およびコリメーションは、確かに、ビーム整形要素により補われる光学部品間の相対的な位置決め精度に関する要件を低減させるが、その代わり、それぞれに関連の光学部品に対するビーム整形要素の、極めて正確な位置決めが要求される。しかし、好ましくは二光子リソグラフィを使用して、その場で製造される自由形態の光学素子の、説明した高い調節精度により、この状況は、問題をもたらさない。二光子リソグラフィを使用する、ビーム整形要素の製造は、１００ｎｍを大きく下回る調節精度で、既存の光学部品に対する、３Ｄ自由形態の光学素子の極めて精密な調節を可能にする。典型的には、リソグラフィシステムには、リソグラフィのため、また同時に、光学部品上の位置合わせマークを捕捉するための光源としてレーザーを使用し得る共焦点型走査装置が設けられてもよい。照明光学素子における系統的エラーが存在する場合、前述のエラーは、光学部品の位置測定に対し、ビーム整形要素の構造化に対する場合と同様の効果を有することが仮定され得る。したがって、位置測定における系統的エラーは補償され、それによって、位置決め精度がさらに上昇する。位置を測定するためにカメラが使用される場合、主として、リソグラフィに関して同じ光路も使用され、つまり、系統的なずれが、この場合においても、少なくとも部分的に補償される。

３Ｄ自由形態の光学素子を光学部品上に直接、構造化することは、リソグラフィ方法に使用される光ビームとそれぞれの光学部品との相互作用に関する様々な問題に関連する。相互作用とは、ここでは、光学部品上へのレーザービームの相互の影響、および逆の影響の両方、ならびに２つの影響の方向のうちの１つのみを意味すると理解される。具体的には、高反射、鋭利な端部、および／または金属特性を有する光学部品上への、ビーム整形要素の製造中に問題が生じ得る。ここでは、二光子リソグラフィを使用する構造の製造において、微小爆発が頻繁に生じ、欠陥、マイクロバブルの形成および／またはマクロバブルの形成として現れる。表面の状態に応じて、接着の問題がさらに生じる可能性がある。これらの影響により、対応する光学構造要素の信頼性のある描画が困難となり得る、または妨げられ得る。

前述の問題の解決法の１つは、製造のパラメータの適合であってもよい。描画されるビーム整形要素の近傍におけるリソグラフィシステムの出力は、好ましくは、微小爆発が生じる場合は減少してもよく、接着の問題が生じる場合は増加してもよい。しかし、そのような適合は、構成要素に特定の方法で行われてもよく、その結果、開発の多大な複雑さが要求され得る。代替的に、リソグラフィビームと試料との相互作用による問題もまた、接続される光学部品上に直接でなく、光学部品に固定的に接続される追加のキャリア構造上に作製される構造によって解決されてもよい。キャリア構造は、具体的には、同じ材料、または光学部品もしくはビーム整形要素と光学的に同一の特性を有する材料を含み得る。具体的には、キャリア構造は、また、ビーム整形要素を構造化するために用いられる同じ方法で製造される。例示的な構成は、支持構造上に製造されるレンズである。ここでは、具体的には、柱状形態の支持構造は、リソグラフィシステムと、描画されるビーム整形要素との望ましくない相互作用が生じないように固着され得る。代替的または追加的に、支持構造は、描画工程により生じる接続される光学部品との相互作用が問題にならない位置にて、固着されてもよい。具体的には、ビーム整形要素と接続される光学部品のファセットとの直接接触を防止することが意味をなし得る。ビーム整形要素を光学部品から離間して製造することによって、モードフィールドは、空間中の伝播により拡大し得る、つまり関連の出力密度が減少する。これにより、大きな出力のレーザービームを結合することが可能である。

光学結合部品の動作中、空間的に不均質な温度変化が生じる可能性があり、その結果、ビーム整形要素がわずかに変形されてもよく、その結果、元の構造に対する角度ずれが生じ得る。結果として、元の路と比較して偏向した路における光ビームの偏向により、結合効率の低下が生じ得る。ビーム整形要素の対応する配置の結果として、このずれも補償されてもよく、その結果、入射ビームは、温度に関連するずれとは無関係に、再度、光学システムを離れる。

さらに、多数のビーム整形要素により、大きな反射損失が生じるという問題が発生し得る。特定の構成では、周りの材料にビーム整形要素を埋め込むと、この方法により、屈折率差、すなわち、周りの材料の屈折率に対しビーム整形要素が製造された屈折率の差異が低下され得るため、これらの問題は、低減され得る。

概して、光学媒体における反射損失は、実質的に、光インターフェースの数、およびそれぞれの境界面を形成する材料間の屈折率の差異（屈折率差）に依存する。多数の光インターフェースおよび低屈折率差を有する光学システムは、光屈折力に関して同等であり、屈折率差が高く、境界面がほとんどないシステムよりも小さい損失を有するということが示され得る。これは、たとえば以下の考察により説明され得る。単純な仮定として、最初に、表面上に入射する光線の反射は、およそ直角入射光線のものであると仮定することができる。これは、光が実質的にその横断面の内部領域において適用されるレンズに対してはおよそ正しい。フレネルの等式によると、完全に透明の表面の反射Ｒの場合、［数式１］の通りであり、ここでは、ｎはレンズの屈折率であり、ｎ’₀は、周囲媒体である。

さらに、「レンズメーカーの式」と呼称するものは、［数式２］を適用し、ここでは、ｆは焦点距離であり、球形レンズ表面の曲率の半径であるとする。

さらに、反射は、損失に等しいと考えられる。具体的には、小さい反射損失の限定的な場合では、出力反射に関して等しいｋ個の表面の数珠つなぎ（カスケード）の全損失Ｒ_totalは、［数式３］の通り、個々の表面の反射損失のｋ倍である。

数珠つなぎ（カスケード）のすべての境界面が同じ焦点距離ｆを有するという仮定から始めて、全システムの焦点距離ｆ_totalは、［数式４］の通り、個々の焦点距離を相互的に加算することにより得られる。

屈折率差が大きく、それに応じて焦点距離の小さい境界面は、このように、屈折率差が小さく、個々の焦点距離の大きい境界面の数珠つなぎ（カスケード）に置き換えられ得る。

さらなる考察では、境界面の形状を維持しながら、周囲媒体の屈折率ｎ’₀は、空気の屈折率ｎ₀＝１と、レンズ材料の屈折率ｎとの間で変化し、同時に、境界面の数が、全システムの焦点距離ｆ_totalが維持されるように適合される、すなわち、屈折率差の減少による屈折力の損失が、より多くの光インターフェースにより補償される。レンズメーカーの式、および焦点距離の相互加算を用いて、必要な表面の数は、［数式５］の通りである。

これに基づいて、以下の［数式６］の通り、このように作製されるシステムの全損失を概算することが可能である。

結果として、概略、レンズ材料と周囲媒体との屈折率差はｎ−ｎ’₀に応じた全損失の減少を与える。必要な表面の数が、対照的に増加する。これにより、原則として、望み通り損失を最小にすることが可能であるが、光インターフェースの数は非常に多い。要約すると、分析の結果は、境界面がほとんどなく、屈折率の差が大きい光学システムは、より多数の境界面を有し、屈折率の差がより小さい、同等の光学システムにより置き換えられてもよいということである。ビーム整形要素の構成に関し、反射損失を最小化するために、好ましくは、２〜１００、特に好ましくは４〜５０、具体的には６〜１２の範囲の、多数の光学表面を選択することが可能である。

レンズ表面の屈折率差のばらつきにより、光学結合部品の設計において、新たな自由度がもたらされる。具体的には、小さい屈折率差の場合における、かすめ入射の光線の散乱損失が小さくなり、さらに、光学的に低密度から光学的に高密度の媒体に境界面を横切る際の全内部反射の問題が小さくなるため、小さい屈折率差に対してレンズ表面の曲率は同時に増加させることができる。

さらなる構成では、周囲媒体は、また、ビーム整形要素の材料よりも大きい屈折率を有してもよい。この状況は、好ましくは、ビーム整形要素の設計において考慮されてもよく、たとえば、対応する、屈折面の曲率の方向の反転にて明らかになる。たとえば、高屈折の周りの材料に埋め込まれる凹レンズ構造は、集束効果を示してもよい。

説明した、屈折率差の小さいシステムの製造のために、前述した三次元直接描画リソグラフィ法、具体的には二光子リソグラフィは、その後の埋め込みステップで用いられてもよい。ここでは、具体的には別々の埋め込み材料も使用されてもよい。これらは、追加の機能、具体的には色収差の低減を備えてもよい。さらに、埋め込みステップにて、窪みを離れることが可能である。窪みは、別の望ましい媒体で充填されてもよく、充填されないままであってもよい。ビーム整形要素を製造するために、露光の結果、変化し得る屈折率を有する材料、具体的にはＯｒｍｏｃｅｒ（登録商標）、ガラスまたはポリマーを使用することも可能である。

さらなる構成では、具体的には、周囲媒体とビーム整形要素との間の、光ビームが横切る接触面が関連の光学機能を有さない場合、使用されるビーム整形要素と同じ屈折率を有する周囲媒体が適用されてもよい。

さらなる構成では、本発明による方法は、空気または別の低屈折媒体で充填される内部の窪みを有し得るビーム整形要素の製造を可能にする。これらの窪みの表面は、外部の埋め込み媒体の影響を受けない、屈折力を有するビーム整形境界面として使用されてもよい。この方法は、具体的には、他の理由により、媒体への外部埋め込みが必要になったとしても、ビーム整形要素の材料に対して低い屈折率差を有し得る屈折力の大きい小型の要素を製造することを可能にする。

さらなる構成では、反射防止被覆は、さらに、反射損失を低減させるために使用されてもよい。

さらなる構成では、屈折光学要素の代わりに、具体的には、さらに、反射損失を低減させるために、ミラーリング光学要素または反射光学要素を使用することが可能である。ここでは、屈折率差の低い媒体と屈折率差の低い媒体との移行部分にて、全内部反射を用いることが可能である。

さらなる構成では、ビーム整形要素は、最初に、１つまたは複数の光学システムそれぞれにおけるさらなる使用のために、光学部品を個片化するための個片化ステップが行われる前に、ビーム整形要素が、多数の隣接する光学部品にて製造されるように製造されてもよい。たとえば、ビーム整形要素は、構造要素が依然として、ビーム整形要素の描画後にのみ、個別の要素に分割されるウェハの形態で存在する限り、特定の効率で、面発光構造要素上に製造されてもよい。

さらなる態様では、本発明は、光学システム、具体的には本発明による方法に従い製造される光学システムに関する。光学システムは、別個の少なくとも２つの光学部品を備え、光学部品のそれぞれがビームプロファイルを有する。２つの光学部品は、ビーム整形要素により補われる光学部品が取得されるように、少なくとも１つのビーム整形要素に固定的に接続され、ビーム整形要素は、三次元直接描画リソグラフィ法を用いて、その場で取得可能である。ビーム整形要素は、ここでは、光学部品間の光学結合が生じるように、光学部品のビームプロファイルを変化させるように設定され、ビーム整形要素により補われる光学部品は共通ベースプレート上に位置決めされ、固定される。

したがって本開示の光学システムは、具体的には、ビーム整形要素が、三次元直接描画リソグラフィ法により、目標位置にてその場で、好ましくは、構造要素のファセットに、または光学部品の１つの対応する保持構造に直接、製造されるという点で、およびビーム整形要素が、２つの光学部品間の結合効率を向上させ、関連の位置決め公差を上昇させるために計画的に使用され得る点で、先行技術により知られる光学的配置と異なる。具体的には、ビーム整形要素は、ここでは、本明細書において説明する方法のステップｃ）に従い、目標位置にてその場で製造される。

好ましい構成では、２つの光学部品のそれぞれは、専用のビーム整形要素を有してもよい。その結果、光学システムは、それぞれがビーム整形要素により補われる２つの光学部品を備える。しかし、三次元直接描画リソグラフィ法を用いて、２つの光学部品が目標位置においてその場で取得可能である共通のビーム整形要素を共有する光学システムもまた考えられ得る。

特に好ましい構成では、ビーム整形要素は、ここでは、形状および位置決めに関して、光学部品間の光学結合が、選択された位置決め精度にて、少なくとも１つの、規定の結合効率を有するようにそれぞれ設定される。

具体的には、光学部品のそれぞれは、有機もしくは無機材料製のシングルモードファイバもしくはマルチモードファイバ、レーザー、フォトダイオード、スーパールミネセントダイオード、もしくはシリコンフォトニクスチップなどの半導体系の集積光学チップ、ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、もしくはポリマーなどの、半導体もしくは誘電材料を基にする他の集積光学チップ、光学プリント基板、または、レンズ、ビームスプリッタ、アイソレータ、ミラーもしくは回折格子などの自由ビーム光学系のための要素を含む群から選択される。光学部品は、低い屈折率差（たとえばガラスを基にする光学導波路）を有するか、または媒体を有するか、または高い屈折率差（たとえば半導体系の導波路）を有する光学導波路を有し得る。光の入力結合および出力結合は、光学部品の縁部、たとえば端面発光型レーザーまたは対応するファセットを有する導波路系システムのチップ縁部にて、またはたとえば面発光レーザー（垂直共振器面発光レーザー、ＶＣＳＥＬ）内、表面照射型フォトダイオード内、もしくは対応する結合構造（たとえば、格子カプラ、偏向ミラー）を備える、導波路系チップ内の上部表面にて行われてもよい。

可能な構成の１つでは、２つの光学部品の光学接続は、少なくとも２つのビーム整形要素を有し、少なくとも１つのビーム整形要素は、局所的なビーム発散を増加させるように設定され、一方で、少なくとも１つのさらなるビーム整形要素は、局所的なビーム発散を減少させるように設定される。具体的には、ビーム整形要素の少なくとも１つは、この目的のため、ビーム拡大器の形態であるように設定されてもよく、ビーム拡大器は、反射構造、導光構造または回折構造から選択される構造を有する。

特定の構成では、光学部品のそれぞれは、複数の光学結合位置を有し、光学結合位置のそれぞれは、少なくとも１つのビーム整形要素に固定的に接続され、ビーム整形要素は、好ましくは、それぞれ、すべての光学結合位置に亘って同時の光学部品間の光学結合を形成するように設定される。

好ましい構成では、光学部品の１つは、光学チップであるように設定されてもよい。具体的には、集積光学素子の分野に用いられる「光学チップ」という用語は、ここでは、典型的に、微細構造化方法を用いて製造可能である、１つまたは複数の光学部品が上に位置する平面状基板を示す。光学チップは、たとえば１つまたは複数の受光器、光源、導波路、フィルタまたはパワー分割器のような受動的構造要素、電気光学変調器またはそれらの組み合わせを有してもよい。さらなる構成、具体的には、共通チップ上における、フォトニックおよび電子構造要素の組み合わせが考えられ得る。

光学チップに付着されるビーム整形要素は、チップ平面において伝播する光の、光学チップの表面に対し略垂直に向けられる方向への偏向を実施し得るように、および／またはチップの表面に対し略垂直に向けられる方向からの光が、チップ平面に位置する伝播方向に偏向され得るように設定されてもよい。「略垂直に」という用語は、ここでは、光学チップの表面に対し、少なくとも５０°、好ましくは、少なくとも６０°、具体的には約９０°の角度を意味する。ここでは、光学チップの表面に対し略垂直に向けられる方向に伝播する光は、別の追加の光学チップを、または光学チップおよび／または追加の光学チップ内に配置される光学透明窓を通過してもよい。代替的または追加的に、光学チップの表面に対し略垂直に向けられる方向に伝播する光は、追加の光学チップ内に結合されてもよく、追加の光学チップ上に付着されるビーム整形要素は、光を、チップの表面に対し略垂直に向けられる方向から、チップ平面に位置する伝播方向へと偏向させ得るように、設定されてもよい。この構成では、光学チップの表面に対し略垂直に向けられる方向に伝播する光は、好ましくは、導波路アレイとして設計される１つまたは複数の光学部品内に結合されてもよく、関連の光学部品上に付着されるビーム整形要素は、光を、チップの表面に対し略垂直に向けられる方向から、チップ平面に位置する伝播方向へと偏向させ得るように設定されてもよい。可能な構成では、ビーム整形要素の少なくとも１つは、導波路、拡大部、および出射ビームの発散を低減させる部分を備えてもよい。

本開示の光学システムに関するさらなる詳細のために、本発明による方法の説明を参照する。

本発明は、先行技術により知られる方法および光学システムに対し、多数の利点を有する。本方法により、可能な限り小さな結合損失で、堅牢かつ自動化された組立工程で、同じまたは異なるモードフィールド径を有する光学部品の光相互接続が可能になる。光学接続が、ここでは、具体的には、広帯域の光の場合、つまり様々な波長を有する光の場合でも可能である。組立工程は、位置決め精度に関して、比較的低い要件を有する。たとえば、平行移動位置決め精度に対する公差は、好ましくは、５００ｎｍより大きく、特に好ましい公差は、２μｍより大きく、さらにより好ましくは、５μｍ、または１０μｍよりも大きい。組立工程中の機械的自由度は、ビーム整形要素が、接続される光学部品のファセットに対しきわめて正確に調節され、固定的に接続されるため、低自由度に維持され得る。方法は、自動化可能に具現化され、多数の横方向シングルモードまたはマルチモードシステムに対し使用され得る。具体的には、半導体レーザー、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＥＤｓ）または集積型光学導波路などの、非回転対称性モードフィールドプロファイルを備える光学部品もまた結合され得る。さらに、具体的には、レーザーとＳＬＥＤとを接続する際に、後方反射を回避することが可能である。結合損失は低く、好ましくは、２ｄＢより低く、特に好ましくは１ｄＢより低く、具体的には０．５ｄＢより低く維持され得る。光学部品により放射される光をビーム整形要素内において特定の角度で偏向することが可能であり、その結果、たとえば、互いに直交する方向で放射する光学部品もまた、互いに接続され得る。

接続される光学部品において、または光学部品上にてその場で、本発明によるビーム整形要素を製造することは、特に、以下で述べられる利点を有する。この状況において、システムのセットアップ中における精密性を上昇させるために、チップ上の光学構造と共に製造され、そのため、チップに対する位置決め精度が非常に高いマークをチップ表面上で使用することが可能である。さらに、ほとんど損失なしに、かつ広帯域で、光を、光学チップの表面を超えて、チップ平面において延びる光学導波路内へと結合することが可能である。成立させるべき積層されたチップ間での光学接続もまた可能である。さらに、光学部品間の距離は変化し得る、つまり、小型の構造寸法およびそれに対応する短い結合部品、および長い結合部品を備える大面積のシステムの両方が可能となる。具体的には、非回転対称性モードフィールドプロファイルを有する光学部品を、回転対称性のモードフィールドプロファイルを有する構成要素に結合することもまた可能になる。さらに、具体的には、レーザーとスーパールミネセントダイオード（ＳＬＥＤｓ）とを光学的に接続する際に、後方反射を最小化することが可能である。さもなければ、レーザーまたはＳＬＥＤにより構造要素内に放射される光の反結合（back-coupling）が生じ、その結果、動作挙動が妨害されるという程度に、これは重要である。さらに、光学部品により放射される光を特定の角度で偏向させることもまた、可能であり、その結果、たとえば、互いに対し共線状でない方向に放射する光学部品もまた、互いに光学的に接続されてもよい。さらに、システムの組立中の、光学部品の製造中の、製造に関連する不正確を補償することが可能であり、その結果、たとえば、隣り合う導波路間の距離における変化は避けられないにも関わらず、導波路アレイを備える構成要素を互いに結合することが可能となる。方法は、さらに、たとえばプラグシステムと同様に、再生可能な結合損失で、構成要素を相互作用させる、または分離させることを可能にする。方法は、さらに計測可能であり、その結果、多数の構成要素に対し、自動化された方法で使用可能である。さらに、方法は、光学システムを設定するための追加のステップと柔軟に組み合わせることが可能である。その結果、構造要素の電気配線のステップが、たとえば製造工程に統合されてもよい。ここでは、具体的には、部分的または完全に組み立てられている光学システムが、現像浴中の処理など、どのような湿式化学的処理ステップにも曝されないように方法を設計する可能性がある。

使用される製造方法が高精度であること、およびビーム整形要素がすでに、製造中に、光学部品上のマークに対して直接調節され得ることにより、接続される光学部品に対するビーム整形要素の、固有の、高い位置決め精度が得られる。これは、具体的には、リソグラフィを行うために使用されたものと同じ光学システムが、光学部品の位置を測定するために使用される場合である。結果として、本方法は、具体的には、モードフィールド径の小さいシングルモード構造要素にも適している。三次元直接描画リソグラフィ法を用いることによって、ビーム整形要素を、本方法が幅広い使用に適するように、略あらゆる所望の形状で製造することがさらに可能である。さらに、たとえば製造公差により引き起こされる構造要素に特定のずれが補償され、その結果、製造公差が比較的大きい光学構造要素、具体的にはレーザーが使用されてもよい。ほとんど支出なしで用途に特化したビーム整形要素が製造可能であるため、少量でも、コスト効率の良い方法で製造することがさらに可能である。さらに、接続される光学部品のファセットは、空気と比較して屈折率の高いビーム整形要素の材料に直接埋め込まれてもよく、これは、周囲媒体の屈折率が上昇するにつれて、発散は減少するため、発散の大きい、非常に小さなモードフィールドすらも結合することが可能であるという利点がある。位置および回転に対する光学部品の位置決め精度に関する要件は、利用可能な位置決めおよび固定技術に応じて適合されてもよく、その結果、最大限の回転および平行移動の位置決め公差間における目標地点の不一致が、最適な方法で解決され得る。適切な保持構造を使用して、ビーム整形要素が、好ましくは、出力密度のより低い位置にて位置するように製造されてもよく、それによって、具体的には、強い光強度に対する、それらの使用可能寿命および安定性が上昇し得る。さらに、本発明による方法において、ビーム整形要素を適切な屈折率を有する周りの材料に埋め込むことによって、ビーム整形要素の表面に屈折率差を柔軟に設定することが可能である。これにより、光学結合部品の設計において、追加の自由度が利用可能になり、具体的には、屈折率差が低く、また、それに応じて個別に屈折力の低い多数の要素の階層化が可能になり、それによって、ビーム経路に沿った後方反射および反射損失が大きく減少され得る。さらに、ビーム整形要素の対応する設計により、結合される光ビームの方向、たとえば９０°における変更をもたらすこともまた可能である。最後に、ビーム整形要素の、元の意図された形状からのどのようなずれも修正するように具現化される光学システムが、製造され得る。

具体的には、拡大部およびコリメート部の両方を有するビーム整形要素を使用することには、以下の利点がある。位置決め精度に関する要件が、これにより、さらに低減される。拡大部およびコリメート部の使用により、光ビームに影響を及ぼすために、追加の自由度がもたらされ得る。好ましくは、複数のレンズが、レーザーの非回転対称性ビームプロファイルを、回転対称性のビームプロファイルに変化させるために使用されてもよく、ビーム整形部品は、非回転対称性ビームプロファイルを有する光学部品から所望の距離に位置してもよい。追加の自由度により、後方反射の大部分なしに、光学システムの製造がさらに可能になる。

本方法の顕著な利点は、汎用性に関する。三次元直接描画リソグラフィ法を用いて、ほぼすべての所望の形状でビーム整形要素を製造することが可能になる。その結果、幅広い範囲のシステム概念ためのビーム整形要素を実現すること可能である。

本発明は、プロセス適合性にも関する多数の利点を有する。これらの利点は、具体的には、接続される光学部品の位置決めを、関連のビーム整形要素の構造化から分離させる可能性により生じる。二光子リソグラフィを使用する構造化は、光学的に容易にアクセス可能な構造要素上で実行される、または特別な価格物質を用いる処置が必要となる、多数の方法ステップを必要とする、つまり、それらの方法ステップは、好ましくは、プロセスフローにおいて可能な限り早く実施されるべきである。本発明により、光学部品の間に機械的接続が確立されないため、プロセスフローの初期に、二光子リソグラフィの使用が可能になる。その結果、光学部品は、また、二光子リソグラフィを使用する構造化の後に、移動および位置決めされてもよい。たとえば、特許文献１のアプローチに開示される先行技術によると、たとえばすべての光学構造要素が、最初に位置決めされ、その後に、二光子リソグラフィを使用して製造される光学導波路により相互接続される。ここでは、たとえばハウジングが障害となるため、描画される位置は、多くの場合アクセス不可能であるという問題が生じる。さらに、フリップチップボンディングの場合など、光学的に活性の側がアクセス不可能となり得るため、光学構造要素自体が、さらなる光学構造要素の描画を妨害し得る。対照的に、本方法により、ビーム整形要素の構造化が、それらの最終位置に位置決めされる前に可能になる。その結果、光学的に相互接続される積層されたチップの配置が可能になる。これに関連して、対応する切り抜き部が、チップに設けられてもよく、切り抜き部を通って、光ビームが進行する。

同様に、集積光学チップの表面に付着されるビーム整形要素が、チップの表面に対し垂直の発光を生じ、その結果、同様に、ビーム整形要素に接続される可能性のある導波路のアレイ内への結合を可能にする構成が可能である。この構成では、具体的には、チップ上で平面状の導波路にて伝播する光を、チップ表面に略垂直に向けられる方向に偏向させるように、チップに取り付けられるビーム整形要素を設計することが可能である。そのような構成は、たとえば、多数の光送信器および受光器部品が高出力電子チップまたは電子プリント基板に取り付けられるネットワークスイッチに適している。この状況におけるネットワークスイッチは、多数の入力にて光信号を受信し、それらを、多数の出力により修正された、または未修正の形態で伝送することが可能である光学システムを意味すると理解される。ここでは、光電変換または電子信号処理ステップが前述のスイッチにて行われるかどうかは無関係である。

本方法を用いて、二光子リソグラフィを用いる光学構造要素を最初に製造し、その後にそれらをハウジング内に設置することもさらに可能であり、ハウジング内では、光学構造要素は、リソグラフィ方法を用いるどのような直接描画もアクセス不可能である。本発明による、ビーム整形要素の構造化および接続される光学部品の位置決めの分離により、多数の、方法に関連する利点が生じる。ビーム整形要素が光学システムの組み立て後にのみ製造された場合、システム全体を現像処理に曝す必要がある。しかし、ここで必要となる化学物質は、多くの場合、光学システムの構成要素との化学的適合性の欠如により使用不可能であり、そのような処理は、実行不可能であることを意味する。しかし、対照的に、ビーム整形要素の構造化が、関連の光学部品の組み立て前に行われる場合、これらの問題は存在しなくなる。さらに、この方法で、製造工程のさらなる自動化が可能になる。具体的には、ビーム整形要素を用いて描画される、多数の光学部品が、光学システムへの統合のために個片化される前に、一時的に固定され、そして単一の完全に自動化された処理で描画されてもよい。具体的には、これにより、個片化前にビーム整形要素が既にウェハ平面上にある光学部品を提供することが可能になる。

本発明のさらなる重要な利点は、必要とされる調節精度の、利用可能な位置決め技術への適合である。光学構造要素を位置決めするために、典型的に非常に高度の位置決め精度が必要である。この位置決め要件は、１μｍ未満の位置決め精度を補償する高価な特別の機械を用いることによってのみ補償され得る。さらに、能動的位置合わせが、多くの場合必要とされ、それによって大きな支出が生じ、その結果、費用が高くなる。しかし、本発明による、モードフィールドの拡大により、接続される光学部品の位置ずれの、その結合効率に対し及ぼす影響は有意に小さくなる。したがって、位置決め精度のより低い、よりコスト効率の良い機械を使用することが可能である。さらに、能動的位置合わせは、必要とされなくなる。ビーム整形のための追加のマイクロレンズが、組立工程中に位置決めおよび固定される従来の方法と比較して、位置決めステップの数、そして、位置合わせ中に考慮される、関連の自由度が減少する。さらに、接着剤の収縮が多くの場合位置ずれを生じる、光学構造要素の、構造要素キャリア上への固定が単純化される。

本発明のさらに考慮すべき利点は、本発明により結合される光学部品間における、小さな結合損失の提供である。これは、第１に、ビーム整形要素の形状に関する、先行技術と比較して有意により大きい自由により、また、ビーム経路内の多数の連続する光学要素の場合のより小さい反射損失によるものである。たとえば、屈折率が１の空気に対し、典型的な１．５２の屈折率を有する媒体からの移行の際の結合損失は、約４％、つまり、−０．１８ｄＢである。コリメーションのための第１のマイクロレンズおよびビームを集束させるための第２のマイクロレンズを備える、屈折ビーム拡大器に基づく例示的な配置では、図５に示すように、２つの光学部品の接続の場合、２３％、すなわち−１．１３ｄＢの理論上の全損失が、たとえば、レンズ材料と周囲空気との間の６つの表面に生じる。実際には、反射防止被覆のために、ほとんどの表面はアクセス不可能である、またはアクセス困難であるため、この限度を有意に下回ることは不可能である。凹形の拡大レンズを用いて分配することが可能である一方で、これは、多くの場合、拡張されすぎており、製造に実用的でない構成要素という結果になる。しかし、本発明による方法により、図６に図示するように、屈折率差が実質的に小さい、多数、たとえば１８の表面を有するビーム整形要素を実現することが可能になる。たとえば、ビーム整形要素の材料の、１．５２の屈折率、および前述の要素の周りの充填材料の、１．４７の屈折率を想定する場合、反射による、理論上の全損失は、０．５％、つまり、０．０２ｄＢに過ぎない。

本発明のさらなる利点は、非回転対称性モードフィールドの適合に関する。具体的には、単一のビーム整形自由形態の要素を使用して、非回転対称性ビームプロファイルを回転対称性のビームプロファイルに変化させることが可能になる。さらに、対応する自由形態の要素の使用により、ビーム経路に沿ったビーム整形要素の配置に関する非常に大きな柔軟性が生まれる。

さらなる利点は、たとえばレーザーの分割の場合の、構造要素の、製造に関連する公差が、適切な自由形態の構造により補償され得ることである。たとえば、光学部品の長さのばらつきが、対応する適合されたビーム整形要素により全体的または部分的に補償され得る。これの例示的な実施形態が、以下、図面および関連の説明にて集められ得る。

本発明のさらなる詳細および特徴は、以下の、好ましい例示的な実施形態の説明により、具体的には、従属請求項により明白である。ここでは、それぞれの特徴は、それ自体により実施され得る、またはその複数は、組み合わされて実施され得る。本発明は、例示的な実施形態に限定されない。

例示的な実施形態が、以下の図面において概略的に図示される。図中の同一の参照符号は、同一の要素もしくは機能的に同一の要素、またはそれらの機能に関して互いに対応する要素を参照する。

第１ビーム整形要素に接続される第１光学部品の、例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 第２ビーム整形要素に接続される第２光学部品の、例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 ビーム整形要素により補われる、光学的に結合される２つの光学部品で構成される光学システムの例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 第１ビーム整形要素に接続される第１光学部品のさらなる例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 第２ビーム整形要素に接続される第２光学部品のさらなる例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 光学的に結合される２つの光学部品、たとえばシングルモードファイバを備える光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 ２つの光学部品、たとえば、それぞれにビーム拡大器が備え付けられるシングルモードファイバを光学的に結合するための、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 埋め込み媒体を有する光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 屈折および反射ビーム整形要素の両方を有する光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 結合部品に挿入される追加の光学要素を有する光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 非回転対称性ビームプロファイルを回転対称性のビームプロファイルに変化させる光学結合の例示的な実施形態を示す。 ビーム整形要素が、屈折面および反射面を互いに組み合せる光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 ビーム整形要素が、屈折面および反射面を互いに組み合せる光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 ビーム整形要素が、屈折面および反射面を互いに組み合せる光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 シングルモードファイバと集積型導波路との間の光学結合のさらなる例示的な実施形態を示す。 ビーム整形要素の反射面の角度ずれが自動的に補償される、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 高い屈折率差を有する少数の（２、３の）光インターフェースを低い屈折率を有する多数（複数）の光インターフェースと取り換えることによって反射損失を低減させるビーム整形要素の例示的な実施形態を示し、ビーム整形要素が、両凸レンズの形態で具現化されている。 高い屈折率差を有する少数の（２、３の）光インターフェースを低い屈折率を有する多数（複数）の光インターフェースと取り換えることによって反射損失を低減させるビーム整形要素の例示的な実施形態を示し、ビーム整形要素が、３つの両凸レンズよりも屈折率の低い埋め込み媒体内の３つの両凸レンズの形態で具現化されている。 高い屈折率差を有する少数の（２、３の）光インターフェースを低い屈折率を有する多数（複数）の光インターフェースと取り換えることによって反射損失を低減させるビーム整形要素の例示的な実施形態を示し、ビーム整形要素が、３つの両凹レンズよりも屈折率の高い埋め込み媒体内の３つの両凹レンズの形態で具現化されている。 高い屈折率差を有する少数の（２、３の）光インターフェースを低い屈折率を有する多数（複数）の光インターフェースと取り換えることによって反射損失を低減させるビーム整形要素の例示的な実施形態を示し、ビーム整形要素が、窪みと比較して上昇した屈折率を有する材料内に、両凹レンズの形態の３つの窪みを有して具現化されている。 レンズの屈折率ｎ＝１．５２であると想定の下で、等式（６）の結果の点出を示す。 光の強度が、１／ｅ²、すなわち光の最大強度の約１３．５％である、モードフィールドの直径Ｄに対する波長λ＝１５５０ｎｍの場合の、開き半角１／２θのプロファイルの点出を、度（°）で示す。 各光学部品が多数の結合位置および関連のビーム整形要素を有する、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 各光学部品が多数の結合位置および関連のビーム整形要素を有する、光学部品の例示的な接続を示す。 それぞれが自由形態の光学導波路とコリメート部との組み合わせを有する、ビーム整形要素のさらなる例示的な実施形態の電子顕微鏡による記録を示す。 光学部品が専用のスペーサにより離間される、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 光学部品間に既定の距離をもたらすために、ビーム整形要素が平面化された媒体内に埋め込まれる、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 電子プリント基板上または電子チップ上に取り付けられ、追加の光学部品、たとえばファイバアレイに接続される多数の光学部品で構成される、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 プリント基板内に埋め込まれる導波路と光学チップとの結合を含む、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 製造工程による光学部品のずれが、ビーム整形部品により補償されるように、ビーム整形要素により補われている複数の光学部品の例示的な実施形態を示す。 光学チップの１つは、任意に、透明の切り抜き部を有し、光学接続は、光学チップ上の平面状の導波路内で伝播する光を、チップ表面に対し略垂直に向けられる方向に偏向させるように設計されるビーム整形要素により実施される、積層された２つの光学チップで構成され、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。 第１ビーム整形要素に接続される第１光学部品と第２光学部品とが光学接続される、さらなる例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 関連のチップ縁部に斜めに、すなわち非垂直に接する導波路への結合の例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 ビームプロファイルのみでなく、２つのビームの互いに対する伝播方向も適合させる、ビーム整形要素の例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。 関連のチップ縁部に斜めに接する導波路への結合の例示的な実施形態を概略的に図示したものを示し、ビーム整形要素は、導波路が縁部に垂直に接する第２のチップまたはファイバアレイ上に位置する。 関連のチップ縁部に斜めに接する導波路への結合の例示的な実施形態を概略的に図示したものを示し、２つのビーム整形要素は、結合位置ごとに使用される。 ２つのチップの、関連のチップ縁部に斜めに接する導波路への結合の例示的な実施形態を概略的に図示したものを示し、２つのビーム整形要素は、結合位置ごとに使用される。 ２つのチップの、関連のチップ縁部に斜めに接する導波路への結合のためのさらなる例示的な実施形態を概略的に図示したものを示し、２つのビーム整形要素は、結合位置ごとに使用される。 関連のチップ縁部に斜めに接する導波路への結合のための例示的な実施形態を概略的に図示したものを示し、ビーム整形要素のそれぞれは、１つの屈折面のみで構成される。

図１および２は、例として、別個の２つの光学部品１０、１１からなり、光学結合が第１光学部品１０と第２光学部品１１との間に形成される、本開示の光学システムを製造する方法のステップｃ）およびｄ）を示す。

図１ａ）に示すように、ステップａ）によるこの目的のために、第１光学部品１０が提供される。本開示の例示的な実施形態では、第１光学部品１０は、表面改質部１２（以下においてより詳細に説明する）を有し、たとえば、発光光学部品として具現化される。この目的のため、第１光学部品１０は、導光コア２１、および導光コア２１を周方向に囲繞するクラッド２２を有する光ファイバ２０を備え得る。この実施形態の結果として、例示的な実施形態において、光学導波路の出力にて既知のビームプロファイルに一致する第１光学部品１０は、第１ビームプロファイル３０を有する。第１ビームプロファイル３０に関する情報、および／または構造要素のファセットにおける第２ビームプロファイル３１の情報は、「ビームプロファイラ」とも呼称されるビーム診断用の市販の装置を使用して、取得されてもよい。代替的または追加的に、第１ビームプロファイル３０が、シミュレーションにより決定されてもよい。代替的または追加的に、第１ビームプロファイル３０は、製造者情報により決定されてもよい。第１光学部品１０のための他の発光光学部品、中でも、レーザー、ＳＬＥＤまたは他の光源などの能動型光学部品、有機材料または無機材料製のシングルモードまたはマルチモードファイバなどの受動型光学部品、半導体、またはガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素またはポリマーなどの誘電材料を基礎とするシリコンフォトニクスチップまたは他の集積光学チップも同様に考えられ得る。

本発明によると、この目的のため、第１光学部品１０の位置にて（その場で）生産される第１ビーム整形要素４０を備える第１光学部品１０が、ステップｂ）およびｃ）により提供される。第１ビーム整形要素４０は、ここで、アンカー効果を有するように設定される、接着促進剤などの表面改質部１２により第１光学部品１０に固着され、それによって、結果として、第１ビーム整形要素４０により補われる第１光学部品１５が取得される。図１ａ）に図示される好ましい構成では、第１ビーム整形要素４０は、ここで、光が、可能な限り最大の効率で発光光ファイバ２０のコア２１から放射され得るように製造され、第１発光光学部品１０の表面改質部１２上に設置される。第１ビーム整形要素４０は、この目的のために、好ましくは、ビームの進行が、第１ビームプロファイル３０を拡大する部分４２、およびビームプロファイル３２がコリメートされた進行を有し、その横断面がわずかにのみ変化する部分４３を有するように具現化される。このようにして、図１ａ）に概略的に示すように、発光光ファイバ２０のコア２１から出射される光ビームが、平行の（コリメートの）光ビームを形成するように集束され得る前に、最初に拡大することが可能である。しかし、他の実施形態が考えられ得る。

類似して、図１ｂ）は、本方法のステップａ）によりさらに提供される第２光学部品１１を概略的に図示する。図１ａ）による第１光学部品１０と対照的に、第２光学部品１１は、ここでは、たとえばフォトダイオードまたは導波路として具現化される受光光学部品である。この実施形態の結果として、第２光学部品１１は、第２ビームプロファイル３１を有する。本発明の特に好ましい構成によると、この、そして以下に続く例示的な実施形態の第２光学部品１１もまた提供され、この目的のために、ステップｂ）により、第２ビーム整形要素４１が、第２光学部品１１の位置にて（その場で）製造される。光学システムの実施形態に応じて、さらなる構成、具体的には図２７に概略的に図示されているような、単一のビーム整形要素のみを有する構成もまた、選択されてもよい。ここに図示される実施形態では、第２ビーム整形要素４１は、第２光学部品１１に固着され、それによって、第２ビーム整形要素４１で補われる第２光学部品１６が取得される。第２ビーム整形要素４１は、ここで製造され、第２光学部品１１が、そこに入射する光の特に大部分を受光し得るように、第２受光光学部品１１の表面上に配置される。

図２は、ステップｃ）により、第１光学部品１０と第２光学部品１１との間の光学結合が、拡大されたプロファイル３２を有するモードフィールドにより形成されるように、第１ビーム整形要素４０が第１ビームプロファイル３０を変化させ、第２ビーム整形要素４１が第２ビームプロファイル３１を変化させる様子を概略的に図示する。第１光学部品１０と第２光学部品１１との間の光学結合は、ここでは、好ましくは、光学結合が最大であり、同時に、使用される組立てシステム位置決め精度を超える位置決め公差が保証されるように選択される。

光学結合を生成するために、ビーム整形要素４０、４１により補われた光学部品１５、１６は、ステップｃ）により、共通ベースプレート５０上に位置決めおよび固定された。ベースプレートは、平面状の実施形態を有してもよい、または、図２に概略的に図示されるように、たとえば１つまたは複数の段の形状の非平面状表面を有してもよい。光学部品１０、１１は、選択された位置決め精度で、ベースプレート５０上に取り付けられ、位置決め精度は、光学部品１０、１１の実際の位置のずれの合計の結果であり、ベースプレート５０への位置決めおよび固定後に、光学部品１０、１１の所望の目標位置と比較して確認される。

図３ａ）は、第１ビーム整形要素４０に接続される、第１光学部品１０のさらなる例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。図１ａ）の図と比較して、第１発光光学部品１０の表面改質部１２は、ここでは、好ましくは、表面被覆、および／または表面の機能化として固定ベースプレートの形状で具現化される、スペーサ５１の形態の保持構造を有する。代替的または追加的に、保持構造５１は、好ましくは、ビーム整形要素４０、４１の製造も含む（図５参照）同じ方法のステップにて実行され得るリソグラフィ法により製造されてもよい。スペーサ５１および／または保持構造４４を直接有する（図５参照）ビーム整形要素４０、４１の使用は、具体的には、ビーム整形要素４０、４１を光学部品１０、１１から空間的に分離させるために、有利となり得る。このようにして、ビーム整形要素４０、４１の描画中に、リソグラフィビームにより引き起こされる光学部品１０、１１への損傷が回避され得る。さらに、これにより、たとえば金属製の構造要素の近傍におけるシャドーイングまたは微小爆発による、リソグラフィによる結果に対する逆効果を引き起こし得る光学部品１０、１１とリソグラフィレーザービームとの相互作用の大部分を防止することが可能である。さらに、ビーム整形要素に入射する強度は、光学要素のファセットからの要素の距離が増加すると、減少し、そのように距離をとることで、また、高出力の光強度に対する安定性が上昇するという結果になる。

図３ｂ）は、第２ビーム整形要素４１に接続される第２光学部品１１のさらなる例示的な実施形態を概略的に図示したものを示す。図１ｂ）による図と対照的に、受光光学部品の、光に面する表面には、ここで同様に、この場合においては層状形態をとるスペーサ５１が設けられる。

図４は、第１シングルモードファイバ（ＳＭＦ）２５の形態で存在する第１光学部品１０と、第２シングルモードファイバ２６の形態で存在する第２光学部品１１との間の光学結合のための光学システムのさらなる例示的な実施形態を概略的に示す。この目的のため、二光子リソグラフィが、第１シングルモードファイバ２５上の第１レンズ２７、および第２シングルモードファイバ２６上の第２レンズ２８を製造するために使用され、レンズは、ほとんど損失なしで１つのファイバからの他のファイバへと光を結合するように構成される。一実験では、８．５μｍの光軸２９に対し垂直の移動中に、０．８６ｄＢの結合損失および位置決め公差が、判定され得る。位置決め公差は、具体的には、結合損失１ｄＢよりも小さい領域の直径として画定されてもよく、その結果、結合効率が８５％よりも大きくなる。

図５による、光学システムのさらなる実施形態においては、シングルモードファイバ２５、２６の両方は、専用のビーム拡大器８３を有し、専用のビーム拡大器８３は、構造要素のファセットから出射する光の発散を人工的に拡大し、それによって、コリメートされた部分において所定のビーム径を有する、より短い設計のビーム拡大要素が可能になる。第１の実験による実現では、結合損失は１．９ｄＢであり、３ｄＢの光軸２９に対して垂直な位置決め公差が、図４による構造の場合の約２倍である１７．７μｍの値を生成した。

さらに、図５、６、８、９および１３による光学システムの実施形態は、保持構造４４を有し、その上にレンズが配置される。好ましくは柱状形態で存在する保持構造４４が、好ましくは、リソグラフィシステムと、描画される光学部品１０、１１との望ましくない相互作用が生じないように、および／または描画処理により生じ得る相互作用が、影響の閾値を超えないままであるように、光学部品１０、１１の位置にて固定される。

図６は、埋め込み媒体５２が使用される光学システムのさらなる例示的な実施形態を概略的に図示する。埋め込み媒体５２は、具体的には、反射によるすべての光損失を減少させる、および／または光学構造を環境による影響から保護するように適合される。埋め込み媒体５２は、好ましくは、たとえば、温度、またはＵＶ照射への暴露によって硬化する透明媒体である。光学システムの光学構造要素を埋め込み媒体５２に埋め込むことで、図６に図示するように、より複雑な光学システムとなってもよい。これにより、大きな反射損失を発生させることなく、多数のビーム整形要素４０、４１を使用することが可能になる。埋め込み媒体５２は、実施形態に応じて、ビーム整形要素４０、４１と比較して、より低い屈折率またはより高い屈折率を有してもよい。

図７は、屈折光学構造要素ではなく、凸面ミラー４５を使用する、光学結合の本発明による構成のさらなる変形例を示す。前述のミラーは、ビーム整形要素４２と周りの材料との間の境界面における内部反射に基づく、または前述の境界面上に金属被膜を含み得る。

図８は、結合部品内に導入される追加の光学要素５４を有する、光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。追加の光学要素５４の導入は、具体的には、２つの光学部品１０、１１の間のモードフィールド３２の拡大およびコリメーションのため、ほとんど拡大せずに、比較的長い距離に亘って伝播し得る光ビームが、本質的に形成されるという事実により可能になる。追加の光学要素５４は、たとえば光学チップ、上では単に実現困難である構造要素、たとえば光学薄膜フィルタ、偏光子、ビームスプリッタ、波長板、またはファラデー回転子またはアイソレータなどの非可逆的な構造要素であってもよい。異なる設計の追加の光学要素５４を導入することが、同様に可能である。具体的には、追加の光学要素５４は、チップ内のビア、チップ内の透明窓、または透明チップであってもよい。

自由形態の光学素子を使用することにより複数のビーム整形要素４０、４１の数珠つなぎ（カスケード）が可能になり、その結果、具体的には、自由度が増加してもよい。図９に概略的に図示されるように、これにより、代替的または追加的に、一方向３５の範囲は小さく、他の方向３４の範囲が大きい非回転対称性ビームプロファイル３３を、回転対称性のビームプロファイル３１へと変化させることも可能であり、ビーム整形要素４０、４１は、原則として任意の所望の位置に設置されてもよい。図９による実施形態が、したがって、たとえば、端面発光型半導体レーザー、または矩形の導波路横断面を有する集積光学チップ５６を光学的に結合するために使用されてもよい。端面発光型半導体レーザーは、ｘ方向およびｙ方向において異なる発散を有するビームプロファイルを有することが多い。そのようなビームプロファイルを効率的に第２シングルモードファイバ２６内へと結合することが可能となるように、光軸２９に対し非回転対称性の光学システムの構成が必要である。ビーム整形要素４０、４１は、この目的のため、好ましくは、半導体レーザー５６により放射される光ビームが、シングルモードファイバ２６に対し、可能な場合同じ角度で入射し、さらに、シングルモードファイバ２６のモードフィールドに適合されるモードフィールド３１を形成するように構成される。位置決め公差に関する要件が可能な限り低いことを保証するために、好ましくは、図９に概略的に図示され、以下において説明する適合方法を使用することが可能である。

半導体レーザー５６のビームプロファイル３０の直径、および第２シングルモードファイバ２６のモードフィールド３１の直径が決定される。製造者情報、または、代替的または追加的に、ビームプロファイルの測定が、このために使用されてもよい。確認されたビームプロファイル３０、３１に基づき、半導体レーザー５６のため、およびシングルモードファイバ２６のため、両方で光学システムの有利な構成を決定することが可能である。ビーム整形要素の適切な設計は、具体的には、接続される光学構造要素に対する達成可能な位置決め公差を考慮する、任意で使用され得るクラッド材料を考慮する、および／または工程に関する、対応する事前補償による収縮など、所望の形状からのずれを防止することが可能である。そして、半導体レーザー５６および第２シングルモードファイバ２６は、リソグラフィシステム内に連続的に、または合わせて固定されてもよい。半導体レーザーの位置は、カメラに基づく検出または共焦点画像解析法により検出される。上でより詳細に説明したように、カメラに基づく検出、またはカメラに基づく、ファイバ内に結合される光の検出により、ファイバまたはファイバコアの位置が検出されてもよい。半導体レーザー５６の、および第２シングルモードファイバ２６の、あらかじめ設定された構成が、描画および展開される。その後に、半導体レーザー５６および第２シングルモードファイバ２６は、それらの固定状態から解放され、あらかじめ決められた位置にて、共通ベースプレート５０に取り付けられてもよく、必要であれば、能動的な位置合わせを行うことが可能である。さらなるステップにおいて、ビーム整形要素４０、４１は、任意で、共通の埋め込み媒体に埋め込まれてもよい。この方式で減少する屈折率の対比もまた、好ましくは、構成、および光学要素の決定において考慮される。ここで説明される適合方法は、ファイバ、具体的にはシングルモードファイバを、レーザーまたはＳＬＥＤなどの放射源に、平面状の導波路に、またはフォトダイオードに結合するために使用されてもよい。位置決め精度に関する要件を低減させる必要がない場合、ビーム整形要素４０、４１の１つもまた、レーザーファセットまたはファイバファセットに描画されるのみであってもよい。

図１０、１１および１２はそれぞれ、特に、屈折光学構造要素ではなく、凹面ミラー４６を使用することによって、光学結合を設定するさらなる可能性を示す。図１０、１１および１２において概略的に図示される光学システムは、単に、ビーム経路のそれぞれの実施形態に関して互いに異なる。

さらに、図１２は、後方反射３９による反結合を回避するさらなる可能性を示す。これは、さまざまな光学構造要素、具体的には、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＥＤｓ）またはレーザーに対し、必要、または特に有利となり得る。後方反射による反結合を抑圧するために、ビーム整形要素４０、４１の反結合を引き起こす表面４７は、光ビームが、境界面に垂直に衝突することが不可能となるように、角度６０（傾斜角）分、傾斜する。反射光３９は、結果として、光学部品１０、１１内へと戻るように進行しなくなる。好ましい構成においては、角度６０は、３°〜４０°、特に好ましくは５°〜１５°、具体期には、７°〜１０°の値を有してもよい。角度６０は、概して、使用される光学構造要素に依存し、好ましくは、後方反射により顕著な反結合が光学システムに生じないような種類のものである。

図１３は、自由形態の光導波路４８を備えるシングルモードファイバ２５により放射される光ビームをビーム整形要素４１内に結合するように設計される光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。フォトニック回路をシングルモードファイバ２６に光学結合するために、最初に、自由形態の導波路４８の構造が、集積シリコン導波路８５の鋭く尖った絞り部（「逆テーパ部」）３６に描画され、集積型導波路４８は、光が集積型導波路８５内に効率的に結合され得る大きさにされる。ビーム整形要素は、また、導波路４８に加えて拡幅部４２を有し、拡幅部４２にて、導波路４２から出射する光ビームが、好ましくは、２°〜４５°、特に好ましくは４°〜３０°、およびさらに好ましくは１０°〜２５°の発散角で大きく発散する。その後に、シングルモードファイバの場合などに、光が、光学部品４１のコリメート部４３にてコリメートされ、追加のレンズにより、光学部品１０のファセットに集束される。

図１４は、ビーム整形要素４０、４１の反射面の角度ずれが自動的に補償される光学システムのさらなる例示的な実施形態を示す。

既に述べたように、光損失は、具体的には、光インターフェースの数、および境界面を形成する２つの材料の間の屈折率の差（屈折率差）に依存する。図１５ａ）〜ｄ）は、様々なビーム整形要素４０の例示的な実施形態を示し、ここでは、反射損失を低減するために、高屈折率差を有する光インターフェースが、多数の、低屈折率を有する光インターフェースによりほとんど使用されない。図１５ａ）において、ビーム整形要素４０が、焦点７０および焦点距離７３を有する単一の集光レンズ（両凸レンズ）から形成され、図１５ｂ）〜ｄ）は、様々なビーム整形要素４０を示しており、複数の異なる形状のレンズを有し、それぞれが、埋め込み媒体５２、５３内へと導入されている。図１５ｂ）は、ビーム整形要素４０のさらなる例示的な実施形態を概略的に示し、ビーム整形要素４０は、レジスト材料５７で作製される３つの両凸レンズを有し、３つの両凸レンズは、３つの両凸レンズよりも低い屈折率を有する埋め込み媒体５２内に導入される。図１５ｃ）は、ビーム整形要素４０のさらなる例示的な実施形態を概略的に示し、ビーム整形要素４０は、３つの両凹レンズを有し、３つの両凹レンズは、３つの両凹レンズのレジスト材料５７よりも高い屈折率を有する埋め込み媒体５３に導入される。最後に、図１５ｄ）は、ビーム整形要素４０のさらなる例示的な実施形態を図示し、ビーム整形要素４０は、両凹レンズの形態の３つの窪み５５の形態で具現化される。窪み５５は、レジストよりも低い屈折率を有する媒体５２で充填されてもよいか、または充填されないままであってもよい。具体的には、窪み内の屈折率は様々であってもよい。ビーム整形要素を製造するために、露光により永久的に変化する屈折率を有する材料を使用することも可能である。これに適するのは、Ｏｒｍｏｃｅｒ（登録商標）、ガラス、またはポリマーであり得る。

概して、多数の光インターフェースを有し、低屈折率差の光学システムは、屈折力に関しては同等であり、屈折率差が高く、境界面がほとんどない光学システムよりも後方反射が少ない。これは図１６の例によって図示され、レンズの屈折率ｎを１．５２と想定した上記の等式（６）の結果が図示される。図１６に図示するように、周囲媒体の屈折率ｎ’₀が、レンズの屈折率に近づくと、全損失Ｒ_totalが低減されるという結果になる。したがって、この方法で、多数の光インターフェースを犠牲にして、結合損失を低減させることが可能である。上で既に述べたように、光インターフェースの数は、好ましくは、１〜１００、特に好ましくは、４〜５０、具体的には、６〜１２となるように選択され得る。

既に上述したように、位置決め精度が低下すると、回転位置決め精度に関する、光学構造要素の感度の上昇をもたらし得る。ここでは、発散は開き角θで数量化され、モードフィールドの放射の場合は、固定工程における回転ずれに関する位置決め公差の推定のための開始点として使用されてもよい。図１７は、波長λ＝１５５０ｎｍの場合の、光の最大強度の１／ｅ²の、すなわち、約１３．５％の光の強度におけるモードフィールドの直径Ｄに対する、開き半角１／２θのプロファイルを、度（°）で示し、モードフィールドの様々な直径Ｄに対し、以下の構成を示す。
−モードフィールド径が１．６μｍであり、開き半角が３４°である、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）導波路８０に基づくモードフィールド変換器（テーパ部）
−モードフィールド径が２．５μｍであり、開き半角が２２°である、リン化インジウム（ＩｎＰ）８１に基づくモードフィールド変換器（テーパ部）
−モードフィールド径が１０μｍであり、開き半角が５．６°である、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）８２
−モードフィールド径が２０μｍであり、開き半角が２．８°である、ビーム拡大器８３の拡大されたモードフィールド３２
−ビームプロファイルが３０μｍであり、開き半角が２°である、埋め込み媒体内のビーム拡大器８４の拡大されたモードフィールド３２

図１８は、光学システムのさらなる例示的な実施形態を概略的に示し、光学部品、本件ではレーザーバー１０４および変調器アレイ１０６は、それぞれ複数の結合位置１３０〜１３７を有してもよく、光学システムは、以下のステップに従い製造されてもよい。
１．無線周波数信号のための導体トラック１０２を有するベースプレート１０１を提供するステップ。ベースプレート１０１は、光学構造要素のすべてを、可能であれば適切な高さで、容易に固定することを可能にする表面形状を有する。「適切な」という用語は、ここでは、すべての光学構造要素のモードフィールドプロファイルのそれぞれの中心が、同じ高さに位置することを意味する。
２．光学システムを設計するステップ。このステップは、光学部品１０４および１０６の位置、ならびに準備されるビーム整形要素１０５の位置を定めることを含む。図１８による例示的な実施形態は、ボンディングワイヤ１０３と電気的に接触している端面発光型レーザー１０４、ビーム拡大器１０５、ボンディングワイヤ１０３と電気的に接触している電気光学変調器のアレイを有する光学チップ１０６、光モードフィールド拡張器１１４を有する、整列された導波路格子（ＡＷＧ）１０７、クラッド１２０を備える光ファイバ１１９からなるアレイである。光学システムの設計は、最適結合に関するビーム拡大器１０５、およびビームプロファイルのコリメートされた部分の最大の拡大のシミュレーションをさらに含む。
３．ステップ２で作製されたシミュレーションデータを、機械可読の形式へと変換し、接続される光学部品１０４、１０６、１０７にビーム整形要素１０５を製造するステップであり、その結果、ビーム整形要素により補われる光学部品が取得されるステップ。
４．ビーム整形要素により取得される光学部品を、ステップ３により提供される位置に固定するステップ。この場合、ステップ２および３より得られる位置決め精度が、好ましくは観察される。
５．周囲媒体内に、ビーム整形要素により補われている光学部品を任意で埋め込むステップ。

図１９は、それぞれが複数のファセットを１３０〜１３７を有する、光学部品１０、１１の接続を示す。本発明により低減する、調節精度に関する要件のため、図１９に概略的に図示される、適切なビーム整形要素１４０〜１４７を使用して、複数の結合位置１３０〜１３７により、第１光学部品１０と第２光学部品１１とを接続することが可能である。

図２０は、電子顕微鏡を使用して撮像された、ビーム整形要素４０、４１のさらなる例示的な実施形態の録画を示し、それぞれが、光学導波路４およびコリメート部４３の組み合わせを有する。図２０に図示されるビーム整形要素４０、４１は、具体的には、図２１の光学システムのさらなる例示的な実施形態に使用されてもよい。これにより、調節精度に関して要件が低い複数の結合位置においてであっても、２つの光学部品１０、１１を互いに光学的に接続することが可能である。この場合、光学部品１０、１１は、それぞれスペーサ５１上に配置され、その結果、光学部品１０、１１の間に既定の距離が与えられる。示される例示的な実施形態においては、光学部品１０は、面発光構造要素であり、一方で、光学部品１１は、チップ平面において延在し、チップ平面に対し垂直に放射するビーム整形要素４０に接続される平面状の導波路を有する光学チップを表す。

さらに、２つのチップ１５４および１５５は、また、互いに積み重なり、表面が同じ方向に面するように、チップ平面において放射する平面状の導波路８５に接続されてもよい。対応する例示的な実施形態が、図２６に図示される。この場合、ビーム整形要素は、発光が、チップの表面に対し略垂直に向けられるように設計される。図２６に図示されるように放射される場合では、チップ１５５に接続されるビーム整形要素は、光の放射がチップ内の切り抜き部または透明窓を通してなされるように、または光がこの方向から受光されるように設計される。具体的には、材料は、チップの材料であってもよい。さらなる改善では、光はチップの縁部に沿って案内され、その結果、チップ内に窓または貫通孔が不要である。このようにして、ここに示される、２つ以上のチップからなってもよい、複雑な積層型のマルチチップシステムを製造することが可能である。

スペーサに加えて、またはスペーサの代わりに、図２２に示すように、表面１５０にて平面化され、ビーム整形部品４０、４１を埋め込む周囲媒体５２を使用することも可能である。ビーム整形要素４０および４１内に存在する屈折面２１０の屈折力を上昇させるために、それらは数珠つなぎ（カスケード）形態で具現化されてもよい。図６も参照のこと。平面化された周囲媒体は、光学部品１０と１１との間の精密な距離を保証する性質のものである。平面化媒体には、さらに、任意で調節構造が設けられてもよい。調節機構は、たとえば、ピン１５２およびピンに適した溝１５１で構成されてもよい。図２１および図２２における支持構造４４および自由形態の導波路４８は、その２つの要素の間に物理的接触がなく、具体的には、自由形態の導波路４８内の光と支持構造４４との間に相互作用がないように設計される。

図２３は、プリント基板または電子チップ１５６上に取り付けられる、多数の受光器と送信器部品１５４との一次元または二次元ファイバアレイ１５３における接続を示す。送信器および受光器部品１５４は、電気接触位置１５８により、半導体チップまたはプリント基板１５６に接続される。第１光学部品１０は、ここで、光ファイバ２０など、本実施形態の光学導波路内で、ビーム整形部品４０および４１により、第２光学部品１１を表す送信器および受光器品１５４に接続される。光学部品（１０、１１）により放射されるビームプロファイル間の角度は、示されている場合においては、約９０°であり、ビーム整形部品４０内の光の偏向によってのみ、結合が可能になる。

図２４は、電気光学プリント基板１５７内に埋め込まれる、第１光学部品１０を表すシングルモード光ファイバ２５と、電気光学プリント基板１５６上に位置する第２光学部品１１との接続を示す。この目的のために、ビーム整形部品４０および４１が使用され、コリメートされたビームプロファイル３２が、関連の位置においては透明である電気光学プリント基板１５６を横切る。横切る位置は、任意で、孔の形態の、材料の切り抜き部を有してもよい。構成要素１１は、たとえば、集積光学チップまたは光学インターポーザであってもよい。

図２５は、ビーム整形部品４０を変更することによる、光学部品１０の、製造に関連する、標的サイズ２０２からのずれの補償を示す。図２５は、コリメートビーム３２のビーム整形部品４０、４１への方向または反対方向における、図１０、１１、１２、２４の平面図として理解され得る。図２５は、さらに、図７のビーム整形部品４１の、ビームの方向における平面図であると理解され得る。光学部品の標的サイズ２０２からの正値のずれ２０３（光学部品が大きすぎる）は、ビーム整形部品４０を短縮２０６することによってもたらされる。光学部品１０の標的サイズ２０２からの負値のずれ２０４は、ビーム整形部品４０を延長２０５することにより補償される。図２５に示す、標的サイズからのずれは、たとえば、分割または切断方法を使用する光学チップを個片化する際の公差により生じ得る。ビーム整形部品の変更２０５、２０６により必要となる補償は、屈折力の適合など、ビーム整形部品４０の特徴のさらなる変化により、追加的に、または排他的に達成または改善され得る。具体的には、それはまた、追加のビーム整形部品１１（図２５には図示されず）の特徴におけるさらなる変化により補われてもよい。

図２７は、さらなる例示的な実施形態を示し、光学システムが２つの光学部品１０、１１、具体的には第１光学部品１０として第１シングルモードファイバ２５を、および第２光学部品１１として第２シングルモードファイバ２６を有する。前述の例示的な実施形態と比較すると、ここでは、正確に１つのビーム整形要素４０が存在し、ビーム整形要素４０は、第１光学部品１０に固定的に接続され、一方で、第２光学部品１１は、ビーム整形要素を有していない。この例における正確に１つのビーム整形要素４０第１光学部品１０および第２光学部品１１の位置決め後に、第１光学部品１０と第２光学部品１１との間に光学結合が形成されるように、第１光学部品１０の第１ビームプロファイル３０を変更するために構成される。これは、具体的には、正確に１つのビーム整形要素４０が第１レンズ２７を有し、それによって、光ビームが、第２ビームプロファイル３１として集束されるように、第２シングルモードファイバ２６に入射し得るように、第１光学部品１１の第１ビームプロファイル３０を変化させることにより達成される。

ここで図示される構成の代替的または追加的に、他の光学部品が、また、本方法を用いて互いに接続されてもよい。ここで、同じステップが行われ、対応するように選択される光学部品を、例示的な実施形態における例として使用されたシングルモードファイバ、レーザーまたは光学チップの代わりに説明する。ここでは、以下の、有機または無機材料製のシングルモードファイバまたはマルチモードファイバ、レーザー、フォトダイオード、スーパールミネセントダイオード、もしくはシリコンフォトニクスチップなどの半導体系の集積光学チップ、または、ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはポリマーなどの半導体または誘電材料、光プリント基板、もしくはレンズ、ビームスプリッタ、アイソレータ、アイソレータ、ミラーまたは回折格子など、自由ビーム光学系のための要素に基づく他の集積光学チップからなる群から選択される光学部品が特に適切である。

具体的には、図示される例示的な実施形態の光路は、反転されてもよい、すなわち、可逆的媒体のみが使用される限り、両方向に動作してもよい。ここでは、受光部品は、光伝送部品の役割を適合させてもよく、光伝送部品は、受光部品の役割を適合させてもよい。さらに、光学部品は、また、同時に光を伝送および受光してもよい。

以下の、レンズ、自由形態のレンズ、屈折率傾斜（ＧＲＩＮ）、レジスト媒体（ｌｏｗｉｎｄｅｘ ｓｔｅｐ ｏｐｔｉｃｓ、ＬＩＳ）と対比して低い屈折率を有する媒体に埋め込まれたレンズのカスケード、反射または全内部反射（ＴＩＲ）に基づく自由形態のミラー、回折光学要素、フォトニック結晶および光学導波路から成る群から選択されるビーム整形要素が、光学結合に特に適切である。

図２８〜３４は、関連のチップ縁部に垂直に接しない導波路に結合するために設計される特定の実施形態を示す。チップ縁部の法線方向に対する導波路の傾斜により、出力結合の際に、導波路の案内されるモードへと戻るように部分的に結合され得ることが防止され、その結果、具体的には、半導体レーザーまたは半導体光増幅器における反射を回避することが可能である。そのような導波路または導波路アレイに有効結合するために、モードプロファイルに加えて、自由空間においてファセットにより放射される光の伝播方向を適合することは有利となり、チップ縁部に対し垂直の伝播方向が、好ましくは達成されてもよい。これは、特に、ファセットに斜めに接する導波路のアレイが、ファイバアレイのような、前述のファセットに垂直に接する導波路のアレイに結合される場合、有利となり得る。さらに、チップを設置する際の、精度要件における低減が、望ましく、それは、具体的にはモードフィールド径を幅広くすることによって達成されてもよい。これらの例示的な実施形態は、また、具体的には、図１２に図示する配置の特徴を有してもよい。さらに、図２８〜３４に図示するビーム整形要素は、他の構成または追加の構成にも存在してもよい。たとえば、具体的には、図３０〜３３に図示する例示的な実施形態は、図３４に図示するビーム整形要素により具現化されてもよい。

図２８は、好ましい実施形態を示し、ここでは、光学チップ１５４の１つまたは複数の導波路８６が、ファセットに斜めに、すなわち非垂直に接し、その結果、ファセットにて生じる後方反射３９が、それぞれの導波路８６の案内されるモードへと戻るように結合されることが不可能である。光学チップ１５４のファセットにて取り付けられる特定のビーム整形要素４０により、第２チップ、またはファイバアレイ１５３への有効な結合を達成することが可能であり、有効な結合においては、導波路が、チップ縁部またはアレイ縁部に垂直に接する。ビームプロファイル３０、３１に加えて、ビーム整形要素は、また、この目的のため好ましくは、ビームの伝播方向７４、７５を互いに対し適合させてもよい。たとえば、それらは、この目的のため、凹面ミラー、凸面ミラーまたは平面ミラー４５、４６、４７を有してもよく、それらは、たとえば、誘電体界面にて、全内部反射の原理を利用してもよい。さらに、ビーム整形要素は、屈折面２１０を有してもよい。

図２９は、例として、対応するビーム整形要素の例示的な実施形態を示す。要素は、ＩｎＰチップの縁部に法線方向７６に対し９°で接し、ファセットにて、水平方向に約３μｍの径、垂直方向に約３μｍの径の楕円形のモードフィールドを有し、ファセット法線の方向における偏向と、約１０．４μｍの直径を有する円形のビームプロファイルへの拡大とをもたらす導波路のために設計された。

ビーム整形要素は、また、図３０に図示するように、さらなる好ましい実施形態において、第２チップまたはファイバアレイ１５３上に位置してもよく、導波路は縁部に垂直に接する。図３１に示すように、結合位置ごとに２つのビーム整形要素が使用されることがさらに可能であり、１つのビーム整形要素４１は、縁部に垂直に接する導波路を有するチップまたはファイバアレイ１５３上に位置し、一方で、他のビーム整形要素４０は、縁部に斜めに接する導波路を有する光学チップ１５４上に位置する。２つのビーム整形要素を使用することで、具体的には、その後の、対応するビーム拡大による、位置決めおよび固定ステップに関する精度要件を低減することが可能になる。ここで、ビーム整形要素４１が、好ましくは、屈折面２２０を備えることが可能であり、一方で、ビーム整形要素４０は、屈折面２１０および反射面４５、４６、４７の組み合わせを有し得る。図３２は、さらに好ましい実施形態を示し、縁部に斜めに接する導波路を有する２つの光学チップ１５４、１５５が、共にミラーおよび屈折面の組み合わせとして設計されるビーム整形部品４０、４１により接続される。これにより、構成要素１０、１１の両方にて、後方反射３９が、案内される導波路モードへと結合することを回避すること、およびさらに、位置決め精度に関する要件を低減することが可能になる。ここで、構成要素１０、１１の導波路８６は、伝播方向７４、７５の閉口の整列が生じるように調節されてもよい。図３３は、さらに好ましい配置を示し、ビーム整形部品４０が、それぞれが１つの屈折面２１０のみを備える伝播方向７４、７５を適合させるために使用される。

１０ 第１光学部品
１１ 第２光学部品
１２ 表面改質部
１５ 補われる第１光学部品
１６ 補われる第２光学部品
２０ 光ファイバ
２１ 光ファイバのコア
２２ 光ファイバのクラッド
２５ 第１シングルモードファイバ
２６ 第２シングルモードファイバ
２７ 第１レンズ
２８ 第２レンズ
２９ 光学システムの光軸
３０ 第１ビームプロファイル
３１ 第２ビームプロファイル
３２ 拡大されたプロファイルを有するモードフィールド
３３ ｘ軸方向の範囲が小さく、ｙ軸方向の範囲はより大きい非回転対称性ビームプロファイル
３４ 発散の小さいビームプロファイル３３のより大きく拡大された部分
３５ 発散の大きいビームプロファイル３３のそれほど大きくは拡大されない部分
３６ 集積型導波路の絞り部（テーパ部）におけるモードフィールド
３７ 角度ずれ６１のないビームの進行（実線の曲線）
３８ 角度ずれ６１を有するビームの進行（破線の曲線）
３９ 後方反射
４０ （第１）ビーム整形要素
４１ 第２ビーム整形要素
４２ ビーム経路の拡大部分またはビーム整形要素の拡大部
４３ ビーム経路のコリメートする部分またはビーム整形要素のコリメート部
４４ 二光子リソグラフィを用いて製造されるスペーサ
４５ （両）凸面ミラー
４６ （両）凹面ミラー
４７ 平面ミラー
４８ 自由形態の光学導波路
４９ 光学的機能を持たない自由形態の表面
５０ ベースプレート
５１ スペーサ
５２ 光学透明材料；ビーム整形要素よりも屈折率の小さい埋め込み媒体
５３ 光学透明材料；ビーム整形要素よりも屈折率の大きい埋め込み媒体
５４ 追加の光学要素
５５ 窪み
５６ （端面発光型）半導体レーザー
５７ レジスト材料
６０ 角度
６１ 角度ずれ
７０ 焦点（フォーカス）
７３ 焦点距離
７４ 第１光学部品１０を出射する光の伝播方向
７５ 第２光学部品１１を出射する光の伝播方向
第１光学部品１０および第２光学部品１１に対する法線方向
８０ ＳＯＩテーパ部
８１ ＩｎＰテーパ部
８２ シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
８３ ビーム拡大器
８４ 埋め込み媒体内のビーム拡大器
８５ シリコン導波路
８６ ファセットに垂直に接しない導波路
１０１ ベースプレート
１０２ 無線周波数電子工学のための導体トラック
１０３ ボンディングワイヤ
１０４ 端面発光型レーザー
１０５ ビーム拡大器
１０６ 変調器
１０７ アレイ状の導波路格子（ＡＷＧ）
１１４ モードフィールドエクスパンダ、ＳｉＮ技術に統合されている
１１９ シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
１２０ クラッドｏｆａシングルモードファイバ１１９
１３０〜１３７ 結合位置
１４０〜１４７ ビーム整形要素
１５０ 平面化層
１５１ 調節構造の溝
１５２ 調節構造のピン
１５３ ファイバアレイ
１５４ 光学チップ
１５５ 追加の光学チップ
１５６ 電子チップまたは電子プリント基板
１５７ 光学プリント基板
１５８ 電気接触位置
２０２ 光学部品の標的サイズ
２０３ 光学部品の標的サイズからの正値のずれ
２０４ 光学部品の標的サイズからの負値のずれ
２０５ 標的サイズからの光学部品の負値のずれの場合のビーム整形部品の延長
２０６ 標的サイズからの光学部品の正値のずれの場合のビーム整形部品の短縮
２１０ ビーム整形要素の屈折面
２２０ ビーム整形要素の追加の屈折面

Claims (17)

1. 別個の少なくとも２つの光学部品（１０、１１）、および前記２つの光学部品（１０、１１）間の少なくとも１つの光学接続を有する光学システムを製造する方法であって、
   ａ）第１光学部品（１０）および別個の第２光学部品（１１）を設けるステップであって、前記第１光学部品（１０）は第１ビームプロファイル（３０）を有し、前記第２光学部品（１１）は第２ビームプロファイル（３１）を有するステップと、
   ｂ）前記第１光学部品（１０）および前記第２光学部品（１１）の配置、ならびに少なくとも１つのビーム整形要素（４０、４１）の形状および目標位置を定めることによって前記光学システムを設計するステップであって、前記ビーム整形要素（４０、４１）は、前記第１光学部品（１０）に、および／または前記第２光学部品（１１）に、固定的に接続され、前記第１光学部品（１０）および前記第２光学部品（１１）の位置決め後に、前記第１光学部品（１０）と前記第２光学部品（１１）との間の光学結合が形成されるように、前記ビーム整形要素（４０、４１）は、前記第１ビームプロファイル（３０）および／または前記第２ビームプロファイル（３１）を変化させるように設定されるステップと、
   ｃ）三次元直接描画リソグラフィ法を用いて、前記ビーム整形要素（４０、４１）を前記目標位置にてその場で製造するステップであり、その結果、前記ビーム整形要素（４０、４１）により補われる、少なくとも１つの光学部品（１５、１６）が取得されるステップと、
   ｄ）前記ビーム整形要素（４０、４１）により補われる前記光学部品（１５、１６）を、共通ベースプレート（５０）上で位置決めおよび固定するステップであって、その結果、前記光学システムが取得されるステップと、
   を含む、方法。
2. ステップｂ）にて第１ビーム整形要素（４０）および第２ビーム整形要素（４１）が使用され、前記第１ビーム整形要素（４０）は前記第１光学部品（１０）に固定的に接続され、前記第２ビーム整形要素（４１）は前記第２光学部品（１１）に固定的に接続され、前記第１ビーム整形要素（４０）は前記第１ビームプロファイル（３０）を変化させるように設定され、前記第２ビーム整形要素（４１）は前記第２ビームプロファイル（３１）を変化させるように設定され、前記第１ビーム整形要素（４０）および前記第２ビーム整形要素（４１）は、ステップｃ）により、設けられた前記目標位置にてその場で製造され、その結果、前記第１ビーム整形要素（４０）により補われる第１光学部品（１５）、および前記第２ビーム整形要素（４０）により補われる第２光学部品（１６）が取得され、前記第１ビーム整形要素（４０）により補われる前記光学部品（１５）、および／または前記第２ビーム整形要素（４０）により補われる前記光学部品（１６）の前記配置および固定は、ステップｄ）にて共通ベースプレート（５０）上でなされる、請求項１記載の方法。
3. 前記三次元直接描画リソグラフィ法を使用する、前記第１光学部品（１０）および前記第２光学部品（１１）での前記目標位置におけるその場での前記ビーム整形要素（４０、４１）の前記製造は、関連の前記光学部品（１０）および（１１）に対して前記ビーム整形要素（４０、４１）を位置決めするために、前記光学部品（１０、１１）に適用される位置合わせマークを判定することを含む、請求項１または２記載の方法。
4. 前記光学接続のために、ビーム拡大部分（４２）、コリメートされた部分（４３）、またはビーム絞り部分から選択される少なくとも１つの部分（４２、４３）を有するビーム経路が選択され、前記ビーム拡大部分（４２）は、局所的なビーム発散を増加させるように設定され、前記コリメートされた部分（４３）は、ビーム径を一定に保つように設定され、前記ビーム絞り部は、局所的なビーム発散を減少させるために設定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ビーム経路は、出射ビームの発散を減少させるために設計されるビーム拡大部（４２）、導波路（４８）、およびコリメート部（４３）を含む、請求項４記載の方法。
6. 前記ビーム整形要素の外部の前記光学接続の前記ビームは、５μｍ〜１００μｍの直径を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ビーム整形要素（４０、４１）間の間隙は、光学透明材料（５２、５３）で少なくとも部分的に充填され、前記光学透明材料（５２、５３）は、前記ビーム整形要素（４０、４１）間の反射損失を低減させるように、および／または前記ビーム整形要素（４０、４１）を通過する光ビームの色収差を低減させるように設定される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 露光により変化する屈折率を有する固体材料が、前記ビーム整形部品（４０、４１）を製造するために使用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 少なくとも１つの光学部品（１０、１１）が、光学チップ（１５４）の形態で設定され、前記光学チップ（１５４）に適用される前記少なくとも１つのビーム整形要素（４０、４１）が、前記光学チップ（１５４）の表面に対して、ある角度に向けられる方向に、前記光学チップ（１５４）の平面において伝播する光の偏向がなされる、および／または前記光学チップ（１５４）の表面に対して、ある角度に向けられる方向からの光が、前記光学チップ（１５４）の表面に位置する伝播方向に偏向されるように具現化され、前記角度は、前記光学チップの表面に対し、少なくとも５０°である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記伝播する光は、追加の光学チップ、または前記光学チップ（１５４）または前記追加の光学チップ内に位置する光学透明窓を横切る、請求項９記載の方法。
11. 第１光学部品（１０）から伝播する前記光は、第２の光学チップ（１５５）に適用される追加の光学部品（１１）内へと結合され、前記光学チップ（１５４、１５５）に適用される前記ビーム整形要素（４０、４１）は、前記光学チップ（１５４）の表面に対し前記角度に向けられる方向から、前記光学チップ（１５５）の前記平面に位置する伝播方向へと光を偏向させるように設定される、請求項９または１０記載の方法。
12. 別個の２つの光学部品（１０、１１）を備える光学システムであって、前記光学部品（１０、１１）のそれぞれは、ビームプロファイル（３０、３１）を有し、前記光学部品（１０、１１）の少なくとも１つは、前記ビーム整形要素（４０、４１）により補われる光学部品（１５、１６）が存在するように、少なくとも１つのビーム整形要素（４０、４１）に固定的に接続され、前記ビーム整形要素（４０、４１）は、三次元直接描画リソグラフィ法によりその場で取得可能であり、前記ビーム整形要素（４０）は、前記光学部品（１０、１１）間の光学結合がなされるように、前記光学部品（１０、１１）の少なくとも１つの前記ビームプロファイル（３０、３１）を変化させるように適合され、前記少なくとも１つのビーム整形要素（４０、４１）は、三次元直接描画リソグラフィ法により、前記目標位置にてその場で取得可能であり、前記ビーム整形要素（４０、４１）により補われる前記少なくとも１つの光学部品（１５、１６）は、共通ベースプレート（５０）上で位置決めおよび固定される、
    光学システム。
13. 前記少なくとも１つのビーム整形要素（４０、４１）は、ビーム拡大部（４２）、コリメート部、またはビーム絞り部（４３）から選択される少なくとも１つの部分（４２、４３）を有し、前記ビーム拡大部（４２）は、局所的なビーム発散を増加させるように設定され、前記コリメート部（４３）は、ビーム径を一定に維持するように設定され、前記ビーム絞り部は、局所的なビーム発散を減少させるように設定される、請求項１２記載の光学システム。
14. 前記少なくとも１つのビーム整形要素（４０、４１）は、ビーム拡大部（４２）、導波路（４８）、および出射ビームの発散を減少させるコリメート部（４３）を備える、請求項１３記載の光学システム。
15. 前記ビーム拡大部（４２）は、反射構造（４５、４６、４７）、屈折構造（２１０）、導光構造（４８）、または回折構造から選択される構造を有する、請求項１３または１４に記載の光学システム。
16. 少なくとも１つの追加の光学部品（５４）は、前記ビーム整形要素（４０、４１）間に位置する、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の光学システム。
17. 前記光学部品（１０、１１）の少なくとも１つは、ファセットに垂直に接しない導波路（８６）を有し、前記ビーム整形要素（４０、４１）の少なくとも１つは、前記ビームの伝播方向（７４、７５）を互いに併合させる、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の光学システム。

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