JP7430756B2 - 光学システムを製造する方法および光学システム - Google Patents
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Description
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
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
(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。
(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。
-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
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。
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 (10)
- 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)を用意す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)の所定の配置に応じた、第1ビーム整形要素(40)および第2ビーム整形要素(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)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、前記第1ビーム整形要素(40)により補われる前記第1光学部品(10)および前記第2ビーム整形要素(41)により補われる前記第2光学部品(11)が取得されるステップと、
d)前記第1ビーム整形要素(40)により補われる前記第1光学部品(10)および前記第2ビーム整形要素(41)により補われる前記第2光学部品(11)を、組立てシステムによって、共通ベースプレート(50)上での前記所定の配置に応じた第1位置および第2位置にそれぞれ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、
を含み、
前記光学結合の位置決め公差は、前記組立てシステムによる前記共通ベースプレートへの位置決め精度を超える、方法。 - 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記載の方法。
- 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または2記載の方法。
- 前記ビーム経路は、導波路(48)、ビーム拡大部分(42)、およびビーム径を一定に保つように設定されるコリメートされた部分(43)を含み、前記導波路(48)からの光が前記ビーム拡大部分(42)によって発散され、その後に前記コリメートされた部分(43)によってコリメートされる、請求項3記載の方法。
- 前記ビーム整形要素の外部の前記光学接続のビームは、5μm~100μmの直径を有する、請求項3または4記載の方法。
- 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の少なくとも1つを低減させるように設定される、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
- 露光により変化する屈折率を有する固体材料が、前記ビーム整形要素(40、41)を製造するために使用される、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 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)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か、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、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)が具現化され、
前記角度は、前記光学チップの表面に対して、少なくとも50°である、請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。 - 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8記載の方法。
- 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8または9記載の方法。
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DIETRICH, P.-I. et al.,Lenses for Low-Loss Chip-to-Fiber and Fiber-to-Fiber Coupling Fabricated by 3D Direct-Write Lithography,Conference on Lasers and Electro-Optics,2016年,DOI: 10.1364/CLEO_SI.2016.SM1G.4 |
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