WO1997021126A1

WO1997021126A1 - Mikrosystembaustein

Info

Publication number: WO1997021126A1
Application number: PCT/EP1996/005471
Authority: WO
Inventors: Vitaly Lissotschenko; Joachim Hentze
Original assignee: Vitaly Lissotschenko; Joachim Hentze
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1997-06-12
Also published as: CN1203675A; KR19990071946A; JP2000501518A; CA2239866A1; DE19610881B4; US6416237B2; EP0888569A1; CN1152270C; IL124796A0; AU1368897A; US20020102071A1; DE19610881A1; US20010043779A1; JP3995026B2; US6621631B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrosystembaustein (1), insbesondere für die Verwendung in mikrooptischen Systemen, bestehend aus einem Körper (2), an dessen Oberfläche mindestens eine Funktionsfläche (5, 6) und Stützflächen (7, 8) zum Anbau an angrenzende Komponenten (9) eines Mikrosystemes vorgesehen sind. Um einen derartigen Mikrosystembaustein (1) zu schaffen, der äußerst paßgenau und exakt reproduzierbar an angrenzenden Komponenten (9) eines Mikrostruktursystems angeschlossen werden kann und dabei Beschädigungen der angrenzenden Komponenten (9) und der empfindlichen Funktionsflächen (5, 6) des Mikrosystembausteines (1) zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, daß die Stützflächen (7, 8) im Bereich von nach außen vorstehenden Oberflächenbereichen des Körpers (2) angeordnet sind, daß die Funktionsflächen (5, 6) in gegenüber den Stützflächen (7, 8) in Richtung auf das Innere des Körpers (2) zurückstehenden Bereichen der Oberfläche des Körpers (2) angeordnet sind und daß die Funktionsflächen (5, 6) in Bezug auf die Stützflächen (7, 8) mit engsten Toleranzen maßhaltig angeordnet sind.

Description

Mikrosystembaustein

Die Erfindung betrifft einen Mikrosystembaustein, insbeson^¬ dere für die Verwendung m mikrooptischen Systemen, beste- hend aus einem Korper, an dessen Oberflache mindestens eine Funktionsflacne und Stutzflachen zum Anbau an angrenzende Komponenten eines Mikrosystemes vorgesehen sind.

Diese Mikrosystembausteine sollen m erster Linie m der Mikrooptik verwendet werden, um Lichtquellen und Lichtlei- ter miteinander zu verbinden oder den Lichtstrahl am Ende eines Lichtleiters oder am Austritt einer Lichtquelle in besonderer Art und Weise zu formen, beispielsweise zu bun¬ dein, zu kollimieren, zu beugen oder divergieren zu lassen. Solche Mikrosystembausteine können aber auch anderswo m MiKrostruktursystemen zum Einsatz kommen, wo es darauf ankommt, bestimmte Funktionsflachen, z. B. Abtastflachen, m einer genauen räumlichen Relation zu den angrenzenden Komponenten festzulegen.

Ein solches Problem auf dem Gebiet der Mikrooptik ist bei- spielsweise aus der WO 92/06046 AI bekannt. Eine dort be^¬ schriebene mikrooptische Linse besteht aus einer länglichen Glasfaser, die an drei Längsseiten abgeflacht ausgebildet und an der vierten Längsseite zylindermantelformig gerundet

ORIGINAL UNTERLAGEN Bei dieser voroekannten mikrooptischen Linse dient die zylindermantelformig gerundete Flache als optisch wirksame Grenzflache, wahrend die der zylindermantelformig gerun¬ deten Flache gegenüberliegende Flache als ebene Stutzflache zum Anschluß der angrenzenden Komponenten dient, die hier als Diodenlaser ausgebildet sind, deren emittiertes Licht kollimiert werden soll. Die Diodenlaser sind hier mit einem geeigneten Kleber oder optischen Zement an der Stutzflache der mikrooptischen Linse angeklebt. Dabei besteht die Gefahr einer nicht genau funktionsgerechten Positionierung der mikrooptischen Linse relativ zu den Diodenlasern. Außerdem kann beim Ankleben oder Anzementieren leicht die empfindliche Emitterflache des Diodenlasers beschädigt werden.

Die lagegerechte Positionierung einer mikrooptischen Linse relativ zum Emitter eines Diodenlasers wird noch wesentlich schwieriger, wenn auch die dem Diodenlaser zugewandte Seite der mikrooptischen Linse eine von der Ebene abweichende Ge¬ stalt hat. Solche mikrooptischen Linsen, die als Kollimato- ren für Diodenlaser gedacht sind, sind beispielsweise aus der US-PS 5 181 224 bekannt. Diese vorbekannten Kollimato¬ ren lassen sich beispielsweise nur mit erheblichem Meßauf¬ wand und gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Adaptern oder Paßstucken an einen Diodenlaser anschließen. Ebenso schwierig ist es natürlich, solche mikrooptischen Linsen auch anderswo paßgenau an angrenzende mikrooptische Kompo¬ nenten anzuschließen. Schließlich besteht bei diesen mi¬ krooptischen Linsen die Gefahr, daß die konvex vorstehen¬ den, optisch wirksamen Grenzflachen, die sehr empfindlich sind, beim Transport, der Handhabung und der Montage der mikrooptischen Linse beschädigt werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Mikrosystembau¬ stein der eingangs genannten Art zu schaffen, der äußerst paßgenau und exakt reproduzierbar an angrenzenden Komponen^¬ ten eines Mikrostruktursystems angeschlossen werden kann, wobei Beschädigungen αer angrenzenden Komponenten und der empfindlichen Funktionsflachen des Mikrosystemoausteines vermieden werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Mikrosystembaustein, ins¬ besondere für die Verwendung m mikrooptischen Systemen, bestehend aus einem Korper, an dessen Oberflacne mindestens eine Funktionsflache und Stutzflachen zum Anbau an angren- zende Komponenten eines Mikrosystemes vorgesehen sind, wobei sich dieser Mikrosystembaustein dadurch kennzeichnet,

- daß die Stutzflachen im Bereich von nach außen verstehen¬ den Oberflachenbereichen des Korpers angeordnet sind,

- daß die Funktionsflachen m gegenüber den Stutzflachen in Richtung auf das Innere des Korpers zurückstehenden

Bereichen der Oberflache des Korpers angeordnet sind und

- daß die Funktionsflachen m Bezug auf die Stutzflachen mit engsten Toleranzen maßhaltig angeordnet sind.

Beim Mikrosystembaustein gemäß der Erfindung stehen die empfindlichen Funktionsflachen nirgendwo nach außen über die Außenkontur des Bausteines hinaus, sondern sind hinter den Stutzflachen zurückliegend angeordnet und dementspre¬ chend gut gegen Beschädigung durch Berührung geschützt. Sie kommen bei der Montage auch nicht mit den angrenzenden Kom- ponenten m Berührung, so daß Beschädigungen der angrenzen¬ den Komponenten, beispielsweise Beschädigungen am empfind¬ lichen Emitter von Diodenlaser, zuverlässig vermieden wer¬ den. Dadurch, daß die Stutzflachen in Bezug auf die Funkti¬ onsflachen bereits von der Fertigung her mit engsten Tole- ranzen maßhaltig angeordnet sind, wird die maßhaltige Mon- tage des Bausteines außerordentlich erleichtert. Hierzu brauchen namlich lediglich die Stutzflachen an dem Baustein in der richtigen Relation zu den Gegenflachen an den an¬ grenzenden Komponenten angeordnet zu werden. Stimmt diese maßliche Relation, so stimmt automatisch auch αie Anordnung der Funktionsflache relativ zu den angrenzenden Komponen¬ ten, vorausgesetzt natürlich, daß deren Gegenstutzflachen ebenfalls entsprechend maßhaltig angeordnet sind.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß m den Stutzflachen Formschlußelemente zum Eingriff in kor¬ respondierende Formschlußelemente an den angrenzenden Kom¬ ponenten vorgesehen sind. Solche Formschlußelemente, z. B. m Form von Vertiefungen und Vorsprungen und/oder Nuten und Federn machen es möglich, den Mikrosystembaustein m allen Richtungen genau justiert festzulegen, ohne daß es für die Justage aufwendiger Messungen bedarf.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß die Funktionsflachen und/oder die Stutzflachen glatt poliert ausgebildet sind. Durch Polieren dieser Flachen werden aus Rauhigkeit der Oberflachen herrührende Maßabweichungen vermieden. Die Maß- relationen zwischen solchen polierten Flachen konnten bis auf wenige Nanometer genau gestaltet werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Korper aus optisch durchlassigem Materi- al besteht und die Funktionsflachen als optisch wirksame Grenzflachen ausgebildet sind. Unter Optik werden nachste¬ hend alle Systeme verstanden, die mit elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren und des unsichtbaren (Ultraviolett, Infrarot) Lichts arbeiten, bis hin zu den Mikrowellen (Millimeterwellen) . Unter optisch durcnlassigem Material werden Materialien wie optisches Glas, Quarz, Ger¬ manium, Rubin, optische Kunststoffe etc. verstanden, die dazu geeignet sind, elektromagnetische Wellen der genannten Art durchzulassen und zu beeinflussen. An den optisch wirksamen Grenzflachen wird das Licht gebrochen, durch Totalreflektion oder durch eine Reflektionsbeschichtung reflektiert oder durch Beugungslinien oder Beugungsgitter gebeugt. Die an dem für mikrooptische Systeme geeigneten Mikrosystembaustein vorhandenen Funktionsflachen können unterschiedlich ausgestaltet sein. Sie können bei¬ spielsweise als konkav oder konvex gewölbte Lmsenoberfla- chen ausgebildet sein, wobei alle aus der Makrooptik be¬ kannten Linsenformen hergestellt werden können. Ebenso können in den Funktionsflächen gegeneinander geneigte, ebene Flächen zur Bildung von Prismen angeordnet sein, die das Licht brechen oder reflektieren. Ebenso können in der Funktionsfläche Beugungslinien oder Beugungsgitter angeord¬ net sein, die das durchtretende Licht beugen. Schließlich können die Funktionsflächen ganz oder teilweise mit einer spiegelnden Beschichtung überzogen sein.

Gegebenenfalls ist es auch möglich, in jeder Funktionsfla- ehe eine Vielzahl von Funktionselementen in Form von Linsen und/oder Prismen und/oder Beugungslinien und/oder reflek¬ tierenden Flächen anzuordnen. Auf diese Weise können soge¬ nannte Linsenarrays auf einem einzigen mikrooptischen Bau¬ stein hergestellt werden.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn an dem Körper an dia¬ metral gegenüberliegenden Seiten Funktionsflächen angeord¬ net sind, deren Funktionselemente durch den Körper hindurch optisch korreliert sind. Hierdurch ist es möglich, an einem solchen mikrooptischen Baustein optische Systeme zu mstal- lieren, die das durchtretende Licht auf die verschiedenste Art und Weise formen und weiterleiten. Ein nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikroopti¬ scher Baustein kann beispielsweise als refraktiver Kolli¬ mator ausgebildet sein, der an einen Diodenlaser anschließ¬ bar ist. Bei diesem Kollimator b_idet die dem Emitter des Diodenlasers zugewandte Funktionsflache ein Prisma, dessen Scheitel parallel zur Langserstreckung des Emitters des Diodenlasers verlauft und im Nahbereich des Emitters abge¬ rundet ist. Weiterhin ist der Scheitelwinkel des Prismas großer als der Emissionswmkel orthogonal zur Langser- Streckung des Emitters des Diodenlasers. Schließlich ist die dem Emitter des Diodenlasers gegenüberliegende Funk- tionsflache als Zylmderflache ausgebildet, deren Zylin¬ derachse orthogonal zum Scheitel αes Prismas verlauft. Ein solcher refraktiver Kollimator ist dazu m der Lage, das von dem Emitter des Diodenlasers ausgesanαte Lichtband mit sehr geringen Verlusten aufzunehmen und zu kollimieren. Dieser Kollimator hat eine besonders hohe numerische Aper¬ tur von beispielsweise 0,68 bei αer Verwendung von Quarz¬ glas und kann infolgedessen das von dem Diodenlaser ausge- strahlte Licht fast vollständig kollimieren. Auch dieser refraktive Kollimator hat vorteilhafterweise über die Funktionsflachen vorstehende Stutzflachen. Die besondere Ausgestaltung und gegenseitige Zuordnung der Funktions- flachen hat die angegebenen Vorteile aber auch ohne die Stutzflachen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf Kollimatoren der zuletzt genannten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stutzflachen fehlen.

Ein anderer nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikrooptischen Baustein kann beispielsweise als reflektiver optischer Koppler ausgebildet sein, der zwischen einem Diodenlaser und einem sich anschl_eßenden

einsetzbar ist. An den Funktionsflachen des optischen Kopplers sind jeweils zwei Funktionselemente angeordnet, namlich eine erste aspharische Zylmderlmse und versetzt dazu ein planer Spiegel an der ersten Funktionsflache und ein aspharischer Zylmderspiegel und versetzt dazu eine zweite aspharische Zylmderlmse an der zweiten Funktions- flache. Die Zylinderachsen der oeiden Zylinderlmsen ver¬ laufen orthogonal zueinander. Ihre optischen Achsen sind demgegenüber parallel zueinander angeordnet. Vor der ersten asphaπschen Zylmderlmse ist der Emitter des Diodenlasers angeordnet. Ein von dem Emitter ausgesandtes Lichtband fallt durch die erste Zylmderlmse m den Mikrosystembau¬ stein ein, trifft auf den gegenüber angeordneten asphari- schen Zylmderspiegel, wird von dort auf den planen Spiegel gelenkt und tritt dann durch die zweite aspharische Zylmderlmse aus dem Mikrosystembaustein heraus. Ein solcher reflektiver optischer Koppler ist bei extrem kurzer Baulange in der Lage, das von dem Emitter des Diodenlasers ausgesandte Lichtband mit sehr geringen Verlusten aufzu¬ nehmen und fokussiert in einen Lichtwellenleiter einzukup¬ peln. Dieser reflektive optische Koppler hat vorteilhaf- terweise über die Funktionsflachen vorstehende Stütz¬ flachen. Die besondere Ausgestaltung und gegenseitige Zuordnung der Funktionsflachen hat die angegebenen Vorteile allerdings auch ohne diese Stutzflachen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf reflektive optische Koppler der zuletzt genannten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stutzflachen fehlen.

Ein weiterer nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter Mikrosystembaustein kann beispielsweise als optische Lei¬ terplatte ausgebildet sein, αurch die mindestens zwei optoelektronische Halbleiterbausteme aneinander anschließ¬ bar smd. Dazu sind die Funktionsflachen einerseits als Linsen zum Em- und Auskoppeln von Lichtstrahlen und andererseits als Spiegel zur Strahlfuhrung innerhalb der optischen Leiterplatte ausgebildet. Eine solche optische Leiterplatte ist in der Lage, einen von einem emgangs- seitig angeschlossenen optoelektronischen Halbleiterbau- stem (IOE Chip) emittierten Lichtstrahl über eme erste Linse aufzunehmen und den Verlauf des Lichtstrahls mner- halb der optischen Leiterplatte mittels der Spiegel derart zu lenken, daß der Lichtstrahl durch eine zweite Linse aus der optischen Leiterplatte heraustritt und auf einen aus¬ gangsseitig angeschlossenen zweiten optoelektronischen Halbleiterbaustem trifft. Die beiden optoelektronischen Halbleiterbausteme smd so zum Zwecke des Datenaustausches miteinander optisch verschaltet. Durch den Einsatz ent¬ sprechender wellenselektiver Strahlweichen ist es möglich, mehrere optoelektronische Halbleiterbausteme bidirektional miteinander zu verschalten. Durch αen Einsatz e.ner Vier¬ zahl von Linsen und Spiegem m den optischen Leiterplatten können auch kompliziertere dreidimensionale optische Ver¬ bindungsstrukturen realisiert werden. Diese optische Lei¬ terplatte hat vorteilhafterweise über die Funktionsflachen vorstehende Stutzflachen. Die besondere Ausgestaltung und gegenseitige Zuordnung der Funktionsflachen hat αie ange¬ gebenen Vorteile allerdings auch ohne diese Stutzflachen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf optische Leiterplatten der zuletzt genannten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stutzflachen fehlen.

Em ebenfalls nach der Lehre der Erfindung ausgebildeter mikrooptischer Baustein kann beispielsweise als wellense¬ lektive Strahlweiche an eine Lichtquelle, einen Lichtem- pfanger und einen Lichtwellenleiter angeschlossen werden. Hierzu weist die der Lichtquelle und dem Lichtwellenleiter zugewandte Funktionsflache em Funktionselement mit wellen¬ selektiven Eigenschaften auf, die dazu fuhren, daß das Funktionselement je nach Wellenlange der einfallenden Lichtstrahlen reflektives oder refraktives Verhalten auf^¬ weist. Em von der Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl wird von dem welienseiektiven Funktionselement derart reflek¬ tiert, daß er auf den Lichtwellenleiter trifft. Em aus dem Lichtwellenleiter heraustretender Lichtstrahl wird von dem selben wellenselektiven Funktionselement derart gebrochen, daß er auf den Lichtempfanger trifft. Eine solche wellen^¬ selektive Strahlweiche ermöglicht eme bidirektionale optische Datenübertragung aber einen Lichtwellenleiter. Als Lichtquelle wird üblicherweise em Diodenlaser eingesetzt, dessen fokussiertes Lichtband über das wellenselektive Funktionselement der Strahlweiche und eine Kugellmse m den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Die aus dem Lichtwellenleiter heraustretenden Lichtstrahlen werden an dem wellenselektiven Funktionselement gebrochen, verlaufen durch die Strahlweiche, treten auf der gegenüberliegenden Seite aus dieser aus und treffen auf den Lichtempfanger, beispielsweise eme Fotodiode. Diese wellenselektive Strahlweiche hat vorteilhafterweise über die Funk- tionsflachen vorstehende Stutzflachen. Die besondere Ausge¬ staltung und gegenseitige Zuordnung der Funktionsflachen hat die angegebenen Vorteile allerdings auch ohne diese Stützflächen. Der Schutz des Patentes soll sich deshalb auch auf wellenselektive Strahlweichen der zuletzt genann¬ ten Art beziehen, bei denen die im Patentanspruch 1 genannten Stutzflachen fehlen.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin em Verfahren zur Herstellung von Mikrosystembausteinen der obengenannten Art, wobei sich dieses Verfahren dadurch kennzeichnet, daß an einem Substrat die Stutzflachen und die Vertiefungen mit den Oberflachenkonturen der diesen Stutzflachen zugeordne- ten Funktionsflachen durch Ultraschall-Schwinglappen mit emer entsprechend geformten, einteiligen Lappform herge¬ stellt werden. Mit dem erfindungsgemaß vorgeschlagenen Ver¬ fahren lassen sich die auf dem Substrat herzustellenden Mi- krostrukturen, namlich die Stutzflachen und die Vertiefun- gen mit den Oberflachenkonturen der Funktionsflachen sehr maßgenau herstellen. Dabei wird eine mit mechanisch mit Ul¬ traschall-Frequenz schwingende Lappform aus Hartmetall, die einen Negativabdruck der herzustellenden MikroStruktur auf- weist, unter Verwendung eines ausreichend harten Lappmit- tels (Hartstoffpulver oder -paste) gegen das Substrat ge¬ druckt. Dabei bildet sich an der Oberflache des Substrates mit hoher Maßgenauigkeit und verhältnismäßig geringer Ober- flachenrauhigkeit em positiver Abdruck der Lappform aus. Dadurch, daß eme einteilige Lappform verwendet wird, ist es auf einfache Weise möglich, die Maßrelation zwischen den Stutzflachen und den Funktionsflachen mit größter Genauig¬ keit einzuhalten.

Die Oberflachenrauhigkeiten smd so gering, daß sie ohne weiteres durch Polieren mit einem Elektronenstrahl poliert werden können. Dabei wird die Energiedichte des Elektronen¬ strahls so eingestellt, daß nur die Oberflache der zu po¬ lierenden Flache angeschmolzen wird, so daß die Oberfla¬ chenspannung eines absolut glatte Oberflache herstellt. Dieses Polieren mit Elektronenstrahl ist Gegenstand einer auf die gleichen Anmelder zurückgehenden deutschen Patent¬ anmeldung DE 42 34 740 AI.

Für die Massenfertigung von Mikrosystembaustemen der oben erläuterten Art schlagt die Erfindung vor, daß an einer großflächigen Lappform die Negativkonturen einer Vielzahl von Mikrosystembaustemen ausgebildet ist, daß die Lappform an einem entsprechend großformatigen Substrat abgeformt wird und daß abschließend das Substrat in die einzelnen Mi¬ krosystembausteine zerteilt wird. Im folgenden wird em Ausführungsbeispiel der Erfindung an¬ hand der Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:

Fig. i einen senkrechten Längsschnitt durch einen als refraktiver Kollimator ausgebildeten Mikro¬ systembaustein mit angeschlos¬ senem Diodenlaser;

Fig. 2 einen horizontalen Längsschnitt durch den Mikrosystembaustein gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eme perspektivische Darstel¬ lung des Mikrosystembaustemes gemäß Fig. 1 und Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Darstel- lung eines Mikrosystembaustei- nes mit Formschlußelementen m den Stutzflachen zum Eingriff m korrespondierende Form¬ schlußelemente an angrenzenden Komponenten;

Fig. 5 eine perspektivische Darstel¬ lung zweier hintereinander an¬ geordneter Zylinderlinsenar- rays;

Fig. 6 eine perspektivische Darstel¬ lung eines Mikrosysterαbaustei- nes mit optisch korrelierten diametral gegenüberliegenden Funktionsflachen;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines als reflektiver optischer Koppler ausgebildeten Mikro-systembau- stemes;

Fig. 8 eine Draufsicht des Mikrosy- stembaustemes aus Fig. 7; Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen als optische Leiterpxatte aus¬ gebildeten Mikrosystembaustein;

Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen als wellenselektive Strahl¬ weiche ausgebildeten Mikrosy¬ stembaustein;

Fig. 11 schematisch im Schnitt den

Lappvorgang zum Herstellen emer Rohform eines Mikrosy- stembaustemes aus einem Substrat;

Fig. 12 schematisch im Schnitt den

Lappvorgang zum Herstellen ei- ner Rohform mehrerer auf der optisch wirksamen Grenzflachen nebeneinander angeordneter Funktionselemente aus einem Substrat und

Fig. 13 schematisch im Schnitt das Po¬ lieren der optisch wirksamen Grenzflachen mittels Ξlektro- nenstrahl .

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.

In Fig. 1 ist em Mikrosystembaustein gemäß der Erfindung für die Verwendung m mikrooptischen Systemen m seiner Ge¬ samtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Mikro¬ systembaustein 1 ist als refraktiver Kollimator ausge- bildet. Er besteht aus einem Korper 2, z.B. aus Quarzglas oder einem anderen optisch durchlassigen Material. In den Korper 2 sind Vertiefungen 3 und 4 eingearbeitet, an deren Boden jeweils Funktionsflachen 5 und 6 angeordnet smd. Die Funktionsflache 5 hat die Form eines Prismas mit einem Scheitelwinkel α = 85°. Im Bereich seines Scheitels ist das Prisma mit einer Abrundung 5a versehen. Die Funktionsflache 6 weist eme etwa zylmdermantelformige Wölbung auf, wobei die Achse dieser zylmdermantelformige Wölbung senkrecht zur Langserstreckung des Scheitels des Prismas an der gegenüberliegenden optisch wirksamen Grenzflacne 5 verlauft.

Weiterhin ist der Korper 2 mit Stutzflachen 7 und 8 verse¬ hen, die zum Anschluß an angrenzende optische Komponenten 9 dienen, z.B. zum Anschluß an einen Diodenlaser, der mit den Stutzflachen 7 entsprechenden Gegenstutzflachen 10 versehen ist. Die Stutzflachen 7 und 8 smd mit aus der Flache vorstehenden Formschlußelementen ^ηa bzw. 8a z.B. in Form von Vorsprungen versehen, die m entsprechende Gegenform- schlußelemente 10a m den Gegenstutzflachen 10 an den an- grenzenden optischen Komponenten 9 eingreifen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, befinden sich die Stutzflachen 7 und 8 m einer genau definierten Maßrelation zu den Funktionsflachen 5 und 6. Dadurch, daß die Funk- tionsflachen 5 und 6 gegenüber den Stutzflachen 7 und 8 in Richtung auf das Innere des Korpers 2 zurückstehen, sind sie gut geschützt angeordnet. Mit Hilfe der Stutzflachen 7 und 8 an dem Korper 2 und der Gegenstutzflachen 10 an der anliegenden optischen Komponente 9 kann der Mikrosystembau¬ stein 1 auf einfache Weise sehr genau an dem Diodenlaser 11 positioniert werden, und zwar so, daß der Scheitel des Prismas in der Funktionsflache 5 genau dem Emitter des Diodenlasers 11 gegenüberliegt und dabei exakt parallel zu dessen Langserstreckung ausgerichtet ist.

In Fig. 3 ist der oben beschriebene Mikrosystembaustein 1 perspektivisch dargestellt. In Fig. 4 ist em als refraktiver Kollimator ausgebildeter Mikrosystembaustein 1 dargestellt, dessen Stutzflachen 7, die an eme optische Komponente 9 grenzen, mit Vor- sprungen 50 versehen smd. Diese Vorsprunge 50 greifen in korrespondierende Vertiefungen 51 an der angrenzenden Kom¬ ponente 9 em. Dies ermöglicht es, den Mikrcsysteπuoau- stem 1 m y- und z-Richtung genau justiert an der angren¬ zenden Komponente 9 festzulegen, ohne daß es für die Justage aufwendiger Messungen bedarf.

In Fig. 5 sind zwei Mikrosystembausteine 1 dargestellt, auf deren Funktionsflachen jeweils eme Vielzahl von Funktions- elementen m Form von Zylmderlinsen angeordnet smd. Die beiden Mikrosystembausteine 1 bilden je em Zylmderlm- senarray 60 und 61. Die Zylinderachsen der einzelnen Zylm- derlmsen der Zylinderlmsenarrays 60 und 61 verlaufen parallel zueinander. An ihren Stutzflachen 7 grenzen die beiden Zylinderlmsenarrays 60 und 61 mit einander zuge¬ wandten Funktionsflachen aneinander. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlmsenarrays 60 und 61 verlaufen m einem rechten Winkel zueinander. Solche Zylinderlmsenarrays 60 und 61 werden häufig hintereinander angeordnet, um dadurch eme optimale Transformation und Formung eines hindurchtre¬ tenden Lichtstrahlenbundels zu erzielen.

Fig. 6 zeigt einen Mikrosystembaustein 1, an dessen Kor- per 2 an diametral gegenüberliegenden Seiten Zylinderlm¬ senarrays 70 bzw. 71 angeordnet smd, die durch den Kor¬ per 2 hindurch optisch korreliert sind. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlmsenarrays 70 und 71 verlaufen in ei¬ nem rechten Winkel zueinander.

Fig. 7 zeigt einen als reflektiven optischen Koppler ausge¬ bildeten Mikrosystembaustein 1. An seinem Korper 2 smd an diametral gegenüberliegenden Seiten Funktionsflachen 5 und 6 angeordnet, deren Funktionselemente 80 bis 83 durch den Körper 2 hindurch optisch korreliert sind. Vor einer asphärischen Zylinderlinse 80 ist der Emitter eines nicht dargestellten Diodenlasers angeordnet, der ein Lichtband aussendet. Dieses tritt durch die Zylinderlinse 80 in den Körper 2 ein, trifft auf einen asphärischen Zylinder¬ spiegel 81, wird von diesem auf einen planen Spiegel 82 und von dort auf eine zweite asphärische Zylinderlinse 83 reflektiert. Dann tritt das Lichtband durch die Zylinder- linse 83 aus dem Körper 2 heraus und wird schließlich in einen ebenfalls nicht dargestellten Lichtwellenleiter ein¬ gekoppelt, der vor der Zylinderlinse 83 angeordneten ist. Die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsen 80 und 83 verlaufen orthogonal, und ihre optischen Achsen 84 und 85 verlaufen parallel zueinander. Ein solcher reflektiver optischer Koppler dient dazu, das von dem Diodenlaser emit¬ tierte Lichtband zu fokussieren und in den Lichtwellen¬ leiter einzukoppeln. In Fig. 8 ist eine Draufsicht des reflektiven optischen Kopplers aus Fig. 7 dargestellt.

Fig. 9 zeigt einen als optische Leiterplatte ausgebildeten Mikrosystembaustein 1, der an zwei optoelektronische Halb¬ leiterbausteine 90 und 91 angeschlossen ist und diese mit¬ einander optisch verschaltet. Die Funktionsflächen der optischen Leiterplatte sind einerseits als Linsen 93 und 96 zum Ein- und Auskoppeln von Lichtstrahlen und andererseits als Spiegel 94 und 95 zur Strahlführung innerhalb der opti¬ schen Leiterplatte ausgebildet. Die optische Verschaltung geht derart vor sich, daß der erste optoelektronische Halb¬ leiterbaustein 90 einen Lichtstrahl 92 aussendet, der über eine erste Linse 93 in den Körper 2 der optischen Lei¬ terplatte eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl 92 wird über Spiegel 94 und 95 so geführt, daß er über eine zweite Linse 96 wieder aus dem Körper 2 ausgekoppelt wird und auf den zweiten optoelektronischen Halbleiterbaustein 91 trifft. Em Verschalten der beiden optoelektronischen Halb¬ leiterbausteme 90 und 91 in umgekehrter Richtung, d.h. der Halbleiterbaustem 91 sendet einen Lichtstrahl 92 aus, den der Halbleiterbaustem 90 dann empfangt, ist ebenfalls möglich. Durch den Zinsatz geeigneter Strahlweichen ist eine bidirektionale Verschaltung der beiden optoelektroni¬ schen Halbleiterbausteme 90 und 91 realisierbar.

Fig. 10 zeigt einen als wellenselektive Strahlweiche ausge¬ bildeten Mikrosystembaustein 1. Dieser ist an eine Lichtquelle 102, einen Lichtempfanger 107 und einen Licht¬ wellenleiter 105 angeschlossen. Die der Lichtquelle 102 und dem Lichtwellenleiter 105 zugewandte Funktionsflache 6 weist ein Funktionselement 101 mit wellenselektivem Ver¬ halten auf. Als Lichtquelle 102 wird em Diodenlaser einge- setzt. Der Emitter des Diodenlasers 102 sendet ein Licht¬ band 103 aus, welches an dem wellenselektiven Funktions¬ element 101 reflektiert und über eine Kugellmse 104 m den Lichtwellenleiter 105 eingekoppelt wird. Wird nun ein Lichtstrahl 106 aus dem Lichtwellenleiter 105 ausgekoppelt, so wird er an dem wellenselektiven Funktionselement 101 und einem gegenüberliegenden Funktionselement 100 derart gebrochen, daß er auf den Lichtempfanger 107 trifft. Dieser ist als Fotodiode ausgebildet. Durch eme solche wellen- selktive Strahlweiche wird eine bidirektionale optische Datenübertragung über einen Lichtwellenleiter 105 ermög¬ licht.

In den Fig. 11 bis 13 ist das Herstellungsverfahren für die Herstellung von Mikrosystembaustemen 1 gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Der erste Schritt des Herstel- lungsverfahrens geht von einem z.B. quaderformigen Substrat 20 aus optisch durchlassigem Material aus, z.B. von Quarzglas. Die Herstellung der Vertiefungen 3 bzw. 4 in dem quaderformigen Quarzglaskorper erfolgt durch Ultraschall- Schwinglappen. Dabei handelt es sich um em ungeπchtetes Spanen mit losen, m emer Flüssigkeiten bzw. emer Paste fein verteilten Hartstoffkornern, die durcn eine mit Ultraschall-Frequenz schwingende Lappform aus Hartmetall aktiviert werden.

In Fig. 11 ist dieses Ultraschall-Schwinglappen zur Her¬ stellung emer Rohform eines einzelnen Mikrosystembaustei- nes 1 schematisch dargestellt. Die Lappform ist mit dem Be¬ zugszeichen 21 bezeichnet. Sie weist an ihrer dem Substrat 20 zugewandten Oberflache einen Negativabdruck der herzu¬ stellenden Vertiefung 3 und 4 und Funktionsflachen 5 und 6 auf. Die Lappform 21 ist an der dem Substrat 20 zugewandten Seite mit einer Schicht 22 aus Schleifmittel Deschichtet. Bei diesem Schleifmittel handelt es sich vorzugsweise um ein Schleifpulver, das in fein verteilter Form Hartstoff- korner enthalt.

Für den Lappvorgang wird die mit der Schleifmittelschicht 22 versehene Lappform 21 mit mecnanischen Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt und gegen das Substrat 20 ge- druckt. Dabei wird das Material des Substrates 20 durch ei¬ ne ungerichtete Zerspanung abgetragen. Sobald die Lappform 21 mit den Flachenbereichen 7, 8 des Substrates 20 in Be¬ rührung kommt, wird der Abtragungsvorgang abgebrochen. Im Ergebnis bildet sich an dem Substrat 20 em exakter positi- ver Abdruck der Lappform 21 aus. Auf diese Weise ist es möglich, die geforderten Strukturen an der Oberflache des herzustellenden Mikrosystembaustemes 1 mit großer Maßhal¬ tigkeit herzustellen.

Fig. 12 zeigt die Herstellung mehrerer auf einem großfla- chigen Substrat nebeneinander angeordneter Funktionsele¬ mente mittels des Ultraschall-Schwmglappverfahrens . Eme großflächige Lappform 31 ist an inrer einem großflächigem Substrat 30 zugewandten Oberflache mit einem Negativabdruck mehrerer nebenemanderliegender Vertiefungen und optisch wirksamer Grenzflachen versehen. Die Lappform ist an der dem Substrat 30 zugewandten Seite mit einer Schicht 32 aus Schleifmittel beschichtet. Wie bei der Herstellung eines einzelnen Mikrosystembaustemes geschildert, wird nun mit senkrecht auf das Substrat gerichteten mechanischen Schwin¬ gungen im Ultraschallbereich das Material des Substrates 30 durch eme ungerichtete Zerspanung abgetragen. Auf diese Weise können sogenannte Lmsenarrays auf einem einzigen mikrooptischen Baustein hergestellt werden oder die einzelnen Funktionselemente nach der Herstellung entlang der Linien 33 in einzelne Mikrosystembausteine 1 zerteilt werden.

In einem zweiten Verfahrensschritt werden dann abschließend die Funktionsflachen 5 und 6 mit einem Hochenergie-Elek- tronenstrahl 43 poliert. Dieser Schritt ist in Fig. 13 dar¬ gestellt. Die dort abgebildete Elektronenkanone zur Her¬ stellung eines energiereichen Elektronenstrahles 43 weist eine als Elektronenquelle dienende Kathode 40, eine zur Beschleunigung des Elektronenstrahles 43 dienende Anode 41 und eme zur Formung des Elektronenstrahles 43 dienende Schlitzblende 42 auf. Der so erzeugte, sehr energiereiche Elektronenstrahl 43, der die Form eines flachen Rechteck- bandes hat, wird auf die zu polierenden Oberflachen am Substrat 2 gerichtet. Das Substrat 2 wird dann quer zur Ebene des bandförmigen Elektronenstrahles 43 bewegt. Die Energiezufuhr m die zu polierende Oberflache wird dabei durch geeignete Maßnahmen so gesteuert, daß nur die Ober- flache über die Tiefe der vorhandenen Rauhigkeiten ange¬ schmolzen wird, und zwar jeweils so weit, daß die vorhan denen Rauhigkeiten sich durch die Oberflachenspannungen der Schmelze ausgleichen.

- Ansprüche

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Mikrosystembaustein (1), insbesondere für die Verwendung m mikrooptischen Systemen, bestehend aus einem Korper (2), an dessen Oberflachen mindestens eme Funkti¬ onsflache (5, 6) und Stutzflachen (7, 8) zum Anbau an an¬ grenzende Komponenten (9) eines Mikrosystems vorgesehen smd, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutzflachen (7, 8^ im Bereich von nach außen vor¬ stehenden Oberflachenbereichen des Korpers (2) angeordnet smd,

daß die Funktionsflachen (5, 6) m gegenüber den Stutzfla¬ chen (7, 8) m Richtung auf das Innere des Korpers (2) zu- ruckstehenden Bereichen der Oberflache des Körpers (2) an¬ geordnet sind und

daß die Funktionsflachen (5, 6) in Bezug auf die Stutzfla¬ chen (7, 8) mit engsten Toleranzen maßhaltig angeordnet sind.

2. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß m den Stutzflachen (7, 8) Formschluß^¬ elemente (7a, 8a; 50) zum Eingriff in korrespondierende Formschlußelemente (10a; 51) an den angrenzenden Komponen¬ ten (9) vorgesehen sind.

3. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsflachen (5, 6) und/oder die Stutzflachen (7, 8) glatt poliert ausgebildet smd.

4. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korper (2) aus optisch durchlassi¬ gem Material besteht und die Funktionsflachen (5, 6) als optisch wirksame Grenzflachen ausgebildet smd.

5. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß m den Funktionsflachen konkav oder konvex gewölbte Lmsenoberflachen ausgebildet smd.

6. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß m den Funktionsflachen gegeneinander geneigte ebene Flachen zur Bildung von Prismen angeordnet sind.

7. Mikrosystembaustein (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Funktionsflachen Beugungslinien oder Beugungsgitter angeordnet sind.

8. Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die

Funktionsflachen ganz oder teilweise mit einer spiegelnden Beschichtung überzogen smd.

9. Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß m jeder Funktionsflache eme Vielzahl von Funktionselementen m Form von Linsen und/oder Prismen und/oder Beugungslinien und/oder reflektierenden Flachen angeordnet ist.

10. Mikrosystembaustein (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Korper (2) an diametral gegenüberliegenden Seiten Funkti¬ onsflachen (5, 6) angeordnet sind, deren Funktionselemente durch den Korper (2) hindurch optisch korreliert smd.

11. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An¬ spruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß er als refraktiver Kollimator ausgebildet ist, der an einen Diodenlaser (11) anschließbar ist,

daß die dem Emitter des Diodenlasers (11) zugewandte Funk¬ tionsflache (5) als Prisma ausgebildet ist, dessen Scheitel parallel zur Langserstreckung des Emitters des Diodenlasers (11) verlauft und im Nahbereich des Emitters abgerundet

daß der Scheitelwinkel des Prismas großer als der Emissi- onswmkel orthogonal zur Langserstreckung des Emitters des Diodenlasers (11) ist und

daß die dem Emitter des Diodenlasers (11) gegenüberliegende Funktionsflache (6) als Zylinαerflache ausgebildet ist, deren Zylinderachse orthogonal zum Scheitel des Prismas verlauft .

12. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An¬ spruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß er als reflektiver optischer Koppler ausgebildet ist, der zwischen einen Diodenlaser und einen sich anschließen¬ den Lichtwellenleiter einsetzbar ist, daß an den Funktionsflachen (5, 6) jeweils zwei Funktions^¬ elemente angeordnet smd, namlich eme erste aspharische Zylmderlmse (80) und versetzt dazu em planer Spiegel (82) an der ersten Funktionsflache (5> und em aspharischer Zylmderspiegel (81) und versetzt dazu eine zweite aspharische Zylmderlmse (83) an der zweiten Funk¬ tionsflache ( 6) .

daß die Zylinderachsen der beiden Zylinderlmsen (80, 83) orthogonal zueinander verlaufen und

daß die optischen Achsen der beiden Zylinderlmsen (80, 83) parallel zueinander angeordnet sind.

13. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An¬ spruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß er als optische Leiterplatte ausgebildet ist, durch die mindestens zwei optoelektronische Halbleiterbausteme (90, 91) aneinander anschließbar sind und

daß die Funktionsflachen (5, 6) einerseits als Linsen (93, 96) zum Em- und Auskoppeln von Lichtstrahlen (92) und andererseits als Spiegel (94, 95) zur Strahlfuhrung mner- halb der optischen Leiterplatte ausgebildet sind.

14. Mikrosystembaustein (1) insbesondere nach An¬ spruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß er als wellenselektive Strahlweiche ausgebildet ist, die an eine Lichtquelle (102), einen Lichtempfanger (107) und einen Lichtwellenleiter (105) anschließbar ist und daß die der Lichtquelle (102) und dem Lichtwellenleiter (105) zugewandte Funktionsflache (6) em Funktionselement (101) mit wellenselektiven Eigenschaften aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung von Mikrosystembau- steinen (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Substrat die Stutzflachen (7, 8) und die Vertiefungen mit den Oberfla¬ chenkonturen der diesen Stutzflachen (7, 8) zugeordneten Funktionsflachen (5, 6) durch Ultraschall-Schwmglappen mit einer entsprechend geformten, einteiligen Lappform (21) hergestellt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich¬ net, daß an einer großflächigen Lappform (21) die Negativ¬ kontur einer Vielzahl von Mikrosystembaustemen ausgebildet ist, daß die Lappform an em entsprechend großflächiges Substrat abgeformt wird und abschließend das Substrat m die einzelnen Mikrobausteme zerteilt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich¬ net, daß in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die Funk- tionsflachen (5, 6) und/oder die Stutzflachen (7, 8) mit einem Elektronenstrahl poliert werden.