DE102004038530B3

DE102004038530B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen einem optoelektronischen Bauelement und einem Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE102004038530B3
Application number: DE102004038530A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Prof. Dr. Brenner; Ulrich Prof. Dr. Brüning
Original assignee: MANNHEIM, University of; Universitaet Mannheim
Current assignee: Universitaet Heidelberg
Priority date: 2004-08-07
Filing date: 2004-08-07
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-08-08
Also published as: US20060029331A1; US7218804B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen zumindest einem optoelektronischen Bauelement in einem ersten Substrat, das optische Strahlung annähernd senkrecht zu einer Substratoberfläche des ersten Substrats abstrahlt oder empfängt, und zumindest einem an einem ersten Ende annähernd parallel zur Substratoberfläche ausgerichteten Lichtwellenleiter, insbesondere einer optischen Faser. Bei dem Verfahren wird auf ein zweites für die optische Strahlung transparentes Substrat eine Schicht eines zumidest nach einer Strukturierung für die optische Strahlung transparenten Materials aufgebracht und derart strukturiert, dass das strukturierte Material sowohl eine seitliche Führung für das erste Ende des Lichtwellenleiters als auch ein optisches Umnlenkelement für die optische Verbindung zwischen dem optoelektronischen Bauelement und dem ersten Ende des Lichtwellenleiters durch das zweite Substrat hindurch bildet, das mit dem ersten Substrat verbunden wird. Das Verfahren ermöglicht eine kostengünstige Verbindung, beispielsweise von Glasfasern mit Halbleiterlasern, auf kleinstem Raum.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen zumindest einem optoelektronischen Bauelement in einem ersten Substrat, das optische Strahlung annähernd senkrecht zu einer Substratoberfläche des ersten Substrats abstrahlt oder empfängt, und zumindest einem an einem ersten Ende annähernd parallel zur Substratoberfläche ausgerichteten Lichtwellenleiter, insbesondere einer optischen Faser.
Die optische Verbindungstechnik, wie sie derzeit bei Langstreckenverbindungen oder in Local Area Netzwerken (LANs) eingesetzt wird, ist für Signalverbindungen innerhalb von Rechnersystemen nicht optimal geeignet. Die bisher verfügbaren Steckverbindungen zwischen den optischen Sendern oder Empfängern und den eingesetzten Lichtwellenleitern, insbesondere optischen Fasern, sind für einen derartigen Einsatz einerseits zu teuer und haben andererseits einen zu hohen Platzbedarf.
Gerade beim Einsatz von Oberflächen-emittierenden Halbleiterlasern, sogenannten VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) besteht ein Bedarf an platzsparenden kostengünstigen Verfahren und Vorrichtungen zur Verbindung dieser Laser mit Lichtwellenleitern, insbesondere Multimode-Glasfasern, die mit einem Ende annähernd parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrates ausgerichtet werden, in dem der Halbleiterlaser integriert ist. Die hierfür erforderliche Strahlumlenkung wird in der Regel durch Einsatz von Glasfasern realisiert, die an ihrem Ende unter 45° abgeschliffen und poliert werden. Die Faser wird dann durch Mikropositionierung exakt über dem Halbleiterlaser positioniert, so dass durch Reflexion an der polierten Endfläche eine 90°-Umlenkung des vom Halbleiterlaser emittierten Laserstrahls in die Glasfaser erfolgen kann. Der Polierprozess stellt jedoch einen relativ hohen Aufwand dar. Ferner muß jede einzelne Faser gesondert mikropositioniert und über dem jeweiligen Halbleiterlaser fixiert werden. Diese Schritte verteuern den Verbindungsprozess in der Fertigung erheblich.

Die US 6389202 B1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur optischen Kopplung von optoelektronischen Komponenten mit optischen Fasern, bei denen der Positionieraufwand für die Fasern reduziert ist. Hierfür wird durch Plasma-Innenätzung in ein Trägersubstrat ein definierter Graben zur Führung der Faser eingebracht. Die Strahlumlenkung erfolgt auch hier durch eine 45°-Abschrägung der Endfläche der Faser. Das Halbleitersubstrat mit der optoelektronischen Komponente wird anschließend auf das Trägersubstrat aufgebracht.

Die US 5168537 zeigt eine Vorrichtung zur optischen Verbindung zwischen mehreren Lichtleitfasern und optoelektronischen Elementen, bei denen innerhalb eines Steckgehäuses für die Faserenden ein oder mehrere Prismen zur Strahlumlenkung angeordnet sind. Über die Herstellung dieser Vorrichtung, insbesondere den Einbau der Prismen, werden in dieser Druckschrift allerdings keine Angaben gemacht.

Aus der US 5764832 A ist eine weitere Technik zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen einem integrierten optoelektronischen Halbleiterbauelement und einer optischen Faser bekannt. Bei dieser Technik wird in einem anisotropen Ätzschritt ein Graben in ein Siliziumsubstrat geätzt, der der Aufnahme und Führung der Faser dient. Aufgrund der Orientierung der Kristallebenen des Siliziums entsteht bei diesem Ätzschritt eine Endfläche unter einem Winkel von ca. 54°, die als Reflexionsfläche zur Umlenkung des optischen Strahls in ein optoelektronisches Halbleiterbauelement oder von einem optoelektronischen Halbleiterbauelement dient, das auf das Substrat aufgebracht wird. Aufgrund der Kristallstruktur des Siliziums und dem damit verbundenen Winkel der Endfläche lässt sich mit dieser Technik jedoch keine 90°-Umlenkung erreichen.

Das Abstract der JP 2003131088 A beschreibt ein optisches Modul zur Einkopplung eines Lichtstrahls, der von einem den Lichtstrahl emittierenden Element ausgeht, in eine optische Faser, die senkrecht zur Abstrahlrichtung des Lichtstrahls angeordnet ist. Hierzu wird ein Substrat mit zwei vertikal zueinander versetzten Oberflächen bereitgestellt. Auf der unteren Oberfläche ist das Licht emittierende Element montiert, während die Faser auf der oberen Oberfläche angeordnet ist. Der vom Licht emittierenden Element emittierte Lichtstrahl wird an einem auf der unteren Oberfläche montierten 90°-Umlenkelement in die Faser reflektiert.

Die DE 43 23 681 A1 beschreibt eine Anordnung zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ein optisches Empfangs- oder Sendeelement. Die Anordnung umfasst ein für die eingesetzte Strahlung transparentes optisches Substrat. Die Lichtleitfaser und das optische Element sind an den gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet. Die Lichtstrahlung wird senkrecht zur Oberfläche des Substrats durch das Substrat hindurch auf eine auf dem Substrat angeordnete Lichtstrahlumlenkreinrichtung gerichtet, durch die der Lichtstrahl um 90° abgelenkt und in die parallel zur Oberfläche des Substrats angeordnete Lichtleitfaser gelenkt wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen einem senkrecht zur Oberfläche abstrahlenden oder empfangenden optoelektronischen Bauelement und einem parallel zur Oberfläche ausgerichteten Lichtwellenleiter anzugeben, die sowohl eine kostengünstige Herstellung der Verbindung als auch eine Strahlumlenkung von 90° ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen zumindest einem optoelektronischen Bauelement in einem ersten Substrat, beispielsweise einem VCSEL als optischer Sender oder einer Fotodiode als optischem Empfänger, das optische Strahlung annähernd senkrecht zu einer Substratoberfläche des ersten Substrats abstrahlt oder empfängt und zumindest einem an einem ersten Ende annähernd parallel zur Substratoberfläche ausgerichteten Lichtwellenleiter, beispielsweise einer Glasfaser, wird ein zweites, für zumindest einen Bereiche der optischen Strahlung transparentes Substrat eingesetzt, auf das eine Schicht eines zumindest nach einer Strukturierung für den Bereich der optischen Strahlung transparenten Materials aufgebracht und strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt beim vorliegenden Verfahren derart, dass das strukturierte Material sowohl eine seitliche Führung für das erste Ende des Lichtwellenleiters als auch ein optisches Umlenkelement für die optische Verbindung zwischen dem optoelektronischen Bauelement und dem ersten Ende des Lichtwellenleiters durch das zweite Substrat hindurch bildet. Das zweite Substrat wird hierzu geeignet über dem ersten Substrat positioniert und mit diesem verbunden.

Die beim vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung erforderliche optische Transparenz des strukturierten Materials sowie des zweiten Substrats muss selbstverständlich nur für den Wellenlängenbereich vorhanden sein, in dem die optische Übertragung zwischen dem optolelektronischen Bauelement und dem Lichtwellenleiter, in der Regel eine optische Faser, erfolgen soll. Mit dem vorliegenden Verfahren ist es sehr kostengünstig möglich, eine derartige optische Verbindung herzustellen. Die einzelne Verbindung beansprucht dabei nicht wesentlich mehr Platz als durch den Durchmesser des eingesetzten Lichtwellenleiters vorgegeben ist. Dadurch kann eine große Zahl von Verbindungen auf kleinstem Raum realisiert werden.

Besondere Vorteile bietet das vorliegende Verfahren, wenn gleichzeitig eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen mit Lichtwellenleitern, insbesondere optischen Fasern, verbunden werden sollen. Das vorliegende Verfahren nutzt hierbei die Bereitstellung einer größeren Anzahl von optoelektronischen Sendern und/oder Empfängern auf einem gemeinsamen ersten Substrat, insbesondere einem Wafer, wie dies in üblicher Weise bei der Fertigung derartiger optoelektonischer Bauelemente der Fall ist. Als zweites Substrat, auf das die Schicht des transparenten, zu strukturierenden Materials aufgebracht wird, wird dabei ein in der Größe an das erste Substrat angepasstes Substrat eingesetzt. Die Strukturierung erfolgt entsprechend dem Raster der optoelektronischen Bauelemente auf dem ersten Substrat. Anschließend werden die beiden Substrate gemäß dem vorliegenden Verfahren miteinander verbunden. Der Substratverbund wird erst dann in die einzelnen Einheiten vereinzelt. Dies erfordert nur einen einzigen Mikropositionierschritt der beiden Substrate zueinander, wobei die Genauigkeit der späteren Verbindung in erster Linie durch die Genauigkeit des Strukturierungsprozesses festgelegt wird. Bei dem bevorzugten Einsatz eines Fotoresists als transparentes Material und der fotolithographischen Strukturierung dieses Fotoresists kann somit die gleiche fotolithographische Genauigkeit für alle Verbindungen mit den auf dem Wafer vorhandenen optoelektronischen Bauelemente, in der Regel mehrere Tausend, gewährleistet werden, wobei nur ein einzelner Justageschritt bei der Verbindung der beiden Substrate erforderlich ist. Dies reduziert die Herstellungskosten für die vorliegende optische Verbindung erheblich. Durch den fotolithographischen Strukturierungsprozess weisen die Strukturen auf dem zweiten Substrat die gleichen Genauigkeiten wie die optoelektronischen Bauelemente auf dem ersten Substrat bzw. Wafer auf. Die Ankopplung einzelner Fasern an die optoelektronischen Bauelemente benötigt dabei keinerlei Mikropositionierung in der Endfertigung. Weiterhin ist der Gesamtaufbau der Verbindung extrem flach, da die Strahlumlenkung bereits integriert ist. Die vorliegenden Verfahrens- und Vorrichtungsmerkmale gestatten in Kombination mit einer Justage auf Wafer-Ebene eine kostengünstige Massenfertigung einer optischen Faserankopplung.

Das Umlenkelement wird beim vorliegenden Verfahren sowie der vorliegenden Vorrichtung vorzugsweise als reflektierende Struktur gebildet. Die Umlenkfläche der Struktur muss für eine 90°-Umlenkung unter einem Winkel von 45° zur Oberfläche des zweiten Substrates verlaufen. Sie kann als ebene Fläche oder auch in gekrümmter Form ausgebildet sein, um im letzteren Fall eine zusätzliche Strahlformung, insbesondere Fokussierung, zu erreichen. Die reflektierende Struktur kann beispielsweise eine prismatische Struktur sein, bei der die Umlenkung des Lichtstrahls durch Innenreflexion an einer Begrenzungsfläche der prismatischen Struktur erreicht wird.

In der bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird als transparentes Material ein Fotoresist auf das zweite Substrat aufgebracht und fotolithographisch zur Bildung der seitlichen Führungen sowie des oder der Umlenkelemente strukturiert. Die schräg zur Oberfläche verlaufende, als Reflexionsfläche dienende Begrenzungsfläche wird dabei vorzugsweise durch schräge Belichtung einer über der Schicht angeordneten Belichtungsmaske gebildet. Diese fotolithographische Strukturierung, unter der in der vorliegenden Anmeldung die Belichtung mit dem anschließenden Ätzvorgang verstanden wird, ermöglicht die Herstellung der Führungen für den Lichtwellenleiter sowie des optischen Umlenkelementes in einem Herstellungsschritt. Eine zusätzliche Justage ist nicht erforderlich. Durch eine schräge Belichtung wird zudem eine schräg zur Oberfläche verlaufende Begrenzung der reflektierenden Struktur für die Lichtein- bzw. Lichtauskopplung gebildet, die im oberen Bereich einen Anschlag für den Lichtwellenleiter, insbesondere die Faser bildet. Dieser durch das Überstehen der reflektierenden Struktur gebildete Anschlag ermöglicht in Verbindung mit den seitlichen Führungen eine exakte Positionierung der Faser in allen drei Translationsfreiheitsgraden.

Die vorliegende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt demgemäß ein für den entsprechenden Bereich der optischen Strahlung transparentes Substrat, das auf das erste Substrat aufgesetzt wird und auf dem eine Struktur eines für diesen Bereich der optischen Strahlung transparenten Materials aufgebracht ist. Die Struktur bildet sowohl eine seitliche Führung für das erste Ende des Lichtwellenleiters als auch ein optisches Umlenkelement für die optische Verbindung zwischen dem optoelektronischen Bauelement und dem in die Führung eingesetzten ersten Ende des Lichtwellenleiters durch das zweite Substrat hindurch.

Durch diese monolithisch integrierte Ankopplung des Lichtwellenleiters mit Führung und Strahlumlenkung sowie das zugehörige Verfahren wird eine kostengünstige selbstjustierende Ankopplung einer Glasfaser an einen vertikal abstrahlenden Laser mit gleichzeitiger 90°-Ablenkung des Lichtstrahls realisiert. Der mechanische Aufbau der Ankopplung erfolgt dabei vorzugsweise mit Hilfe einer speziellen Lithographietechnik in Fotolack. Hierdurch können viele tausend Halter bzw. Führungen und Umlenkelemente gleichzeitig mit sehr präzisen Strukturen auf dem transparenten Substrat, insbesondere einer dünnen Glasplatte erzeugt werden. Der Justageprozess dieses Substrats in Bezug auf die Laser erfolgt für alle Laser auf einem Wafer mit einem einzigen Justageschritt. In gleicher Weise läßt sich diese Technik zur optischen Verbindung auf der Detektorseite, d.h. zur Verbindung der Glasfaser mit einem Empfänger, beispielsweise einer PIN-Diode, einsetzen.

Der Zwischenraum zwischen dem Lichtwellenleiter bzw. der optischen Faser und dem Umlenkelement kann auch zusätzlich mit einem Füllmaterial verfüllt werden, das einerseits der zusätzlichen Faserfixierung und andererseits bei geeigneter Wahl des Brechungsindex dieses Füllmaterials dem Indexmatching zwischen der Faser und dem Umlenkelement dienen kann. Hierzu wird vorzugsweise ein Füllmaterial mit einem Brechungsindex gewählt, der zwischen dem Brechungsindex des transparenten Materials des Umlenkelementes und dem Brechungsindex des Kernmaterials der Glasfaser liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Einschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer mit dem Verfahren hergestellten optischen Verbindung in Seitenansicht;
2 das Beispiel der 1 in Draufsicht;
3 ein Beispiel für eine Schrägbelichtungsmaske zur Durchführung des Verfahrens;
4 ein weiteres Beispiel für eine Schrägbelichtungsmaske zur Durchführung des Verfahrens;
5 ein Beispiel für eine rasterförmige Anordnung mehrerer Umlenk- und Führungsstrukturen gemäß dem vorliegenden Verfahren auf einem Glassubstrat; und
6 ein Beispiel für die Durchführung des Belichtungsschrittes.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Ankopplung einer Glasfaser 3 an einen VCSEL-Halbleiterlaser 6 beschrieben, der einen senkrechten Lichtaustritt aufweist. Um den Gesamtaufbau flach zu halten, ist es erforderlich, den aus dem Laser 6 austretenden Laserstrahl um 90° in die Faser 3 abzulenken. Hierfür wird ein Glassubstrat 2 bereitgestellt, auf das ein Fotolack in ausreichender Dicke, die den Radius der anzubindenden Glasfaser 3 übersteigt, aufgebracht wird. Der Fotolack wird auf diesem Träger derart fotolithographisch strukturiert, dass eine Führungsstruktur 4 für die seitliche Führung der Glasfaser 3 sowie ein prismatisches Umlenkelement 5 für die 90°-Umlenkung gebildet wird. Dazu werden die üblichen Apparaturen der Chipherstellung, Fotolithograph und Maskenjustiereinrichtung (mask aligner), eingesetzt. Der Fotolack ist ebenso wie das Glassubstrat 2 für die zum Einsatz kommenden Lichtwellenlängen transparent.
Nach der fotolithographischen Strukturierung des Fotolacks auf dem Glassubstrat 2 wird dieses mit dem Substrat 1, in dem der VCSEL-Halbleiterlaser 6, im vorliegenden Beispiel ein GaAs-VCSEL als Bottom Emitter, integriert ist, aufgebracht. Der VCSEL-Halbleiterlaser 6 emittiert die Laserstrahlung 6a senkrecht zur Oberfläche des Substrats 1, wie dies in der 1 ersichtlich ist. Der Laserstrahl 6a wird an der 45°-Schräge der prismatischen Struktur 5 reflektiert und gelangt dadurch in die Glasfaser 3. Zur Verbesserung des Reflexionsgrades kann eine zusätzliche Goldverspiegelung 8 auf der Rückseite der als Reflexionsfläche 5a dienenden Begrenzungsfläche der prismatischen Struktur 5 aufgebracht werden.
Die Dicke des Glassubstrats 2 kann so gewählt werden, dass die Strahlaufweitung des Laserstrahls 6a bis zur Glasfaser 3 deren Kerndurchmesser nicht überschreitet. Das Glassubstrat 2 dient gleichzeitig als stabilisierendes Trägermaterial für das gedünnte Substrat 1 mit dem VCSEL-Halbleiterlaser 6. Da dieser als Bottom Emitter ausgebildet ist, sind die elektrischen Kontaktflächen 7 für eine direkte Montage, beispielsweise durch Waferbumping oder Kontaktierung mittels Leitkleben, auf einem CMOS-Ansteuerchip zugänglich.
Durch die in 1 dargestellte Ausgestaltung der Führungsstruktur 4 und der prismatischen Struktur 5 wird eine exakte Positionierung der Faser 3 in allen drei Raumrichtungen ermöglicht. Beim Einsetzen der Faser 3 dient die Oberfläche des Glassubstrats 2 als Positionierungsanschlag 10 in Z-Richtung. Die beidseitig der Faser verlaufende Führungsstruktur 4 bildet die Positionierungsanschläge 12 in Y-Richtung. Der Positionierungsanschlag 11 in X-Richtung wird durch den oberen Bereich der prismatischen Struktur 5 realisiert, der gleichzeitig einen zweiten Anschlag in Z-Richtung darstellt.
Besondere Vorteile bietet das vorliegende Verfahren bei der gleichzeitigen Ankopplung vieler Fasern 3 an ebenso viele Laser 6, die auf einem Wafer hergestellt wurden. Da die Umlenk- und Führungsstrukturen 4, 5 auf dem Glassubstrat 2 fotolithographisch im gleichen Raster wie die Laser 6 hergestellt werden, weisen sie die gleichen Genauigkeiten auf wie die Halbleiterlaser 6 auf dem Wafer. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein derartiges, in den Dimensionen an einen Wafer angepaßtes Glassubstrat 16, auf dem die Wafer-Schnittlinien 18 für eine spätere Vereinzelung angedeutet sind. Auf jeder durch die Schnittlinien begrenzten Fläche befinden sich, wie dies im unteren Teil anhand einer Fläche beispielhaft angedeutet ist, die Führungsstrukturen 4 sowie die prismatische Struktur 5. Nach der Herstellung dieses Glassubstrats 16 mit den entsprechenden Strukturen werden das Glassubstrat 16 und der Wafer mit den Halbleiter-Lasern 6 mit einem hochgenauen Waferalignment zueinander justiert, so dass anschließend alle Strukturen gleich zueinander ausgerichtet sind. Die hierfür eingesetzten Ausrichtungsmarkierungen 17 sind in der 5 zu erkennen. Durch das Verkleben des Glassubstrats 16 mit dem Wafer wird diese Positionierung gesichert.
Ein anschließendes Vereinzeln der Laser 6 oder bestimmter Gruppen von Lasern mit dem auf der Rückseite aufgebrachten Glassubstrat mit Führungs- bzw. Haltestruktur 4 für die Fasern 3 ergibt fertig einsetzbare Verbundbauteile, bestehend aus einem VCSEL-Halbleiterlaser 6 mit Bottom Emitter, der Strahlumlenkung 5 und der Führungsstruktur 4 mit Anschlag für die Faser 3. Eine derartige Einzelstruktur 19 ist in der 5 angedeutet. Ebenso können vier (Bezugszeichen 20) oder zwölf (Bezugszeichen 21) zusammenhängende Verbundbauteile gesägt werden, auf denen die Einzelstrukuren untereinander einen sehr präzisen Abstand aufweisen. Der Abstand könnte beispielsweise dem Normabstand von 250μm entsprechen. Selbstverständlich sind jedoch auch kleinere oder größere Abstände realisierbar.
2 zeigt schließlich nochmals eine Draufsicht auf eine mit dem Substrat 1 verbundene Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie auch in der 1 bereits in Seitenansicht dargestellt ist. In der Draufsicht ist eine trichterförmige Öffnung 9 in der Führungsstruktur 4 zu erkennen, die das Einführen der Faser 3 für die Positionierung und Halterung vereinfacht. Durch die Führungsstruktur 4 auf beiden Seiten der Faser 3 wird der in 1 erkennbare Positionierungsanschlag 12 in Y-Richtung gebildet.
Für die Herstellung der aus der 1 ersichtlichen prismatischen Struktur 4 mit der dargestellten 45°-Schräge werden die zugehörigen Belichtungsmasken schräg belichtet. 3 zeigt ein erstes Beispiel für eine derartige Schrägbelichtungsmaske 13, die zur Erzeugung der Struktur für die Verbindung mit einem optischen Sender, beispielsweise den VCSEL-Halbleiterlaser 6, eingesetzt werden kann. Durch diese Schrägbelichtungsmaske 13 wird nicht nur die prismatische Struktur 5 festgelegt, es werden auch die seitlichen Führungstrukturen 4 mit der an der Maske erkennbaren trichterförmigen Öffnung definiert.
Für die Ankopplung der Faser 3 an einen optischen Empfänger, beispielsweise eine PIN-Diode, gelten die gleichen Ausführungen wie zu den vorangehenden Beispielen. Lediglich der Laser 6 wird hierbei durch eine PIN-Diode ersetzt. Hierbei kann die als Reflexionsfläche 5a dienende Begrenzungsfläche der prismatischen Struktur 5 auch mit einer Wölbung versehen sein, durch die das aus der Faser 3 austretende Licht zusätzlich auf den Empfänger fokussiert wird. 4 zeigt ein Beispiel für eine Schrägbelichtungsmaske 14 zur Erzeugung einer derart gewölbten Reflexionsfläche. Die Wölbung 15 ist durch die Maskenstruktur vorgegeben. Durch diese Struktur wird eine Wölbung der Reflexionsfläche erzeugt, die die Wirkung einer Zylinderlinse aufweist. Diese Fokussierung mittels Zylinderlinse kann auch durch eine in das Glassubstrat integrierte zusätzliche Linse ergänzt werden.
Zur Erzeugung einer prismatischen Struktur 5 mit einem Winkel zumindest einer Begrenzungsfläche von 45° zur Oberfläche des Glassubstrats kann es erforderlich sein, die Brechung des zur Belichtung des Fotoresists eingesetzten Lichtes beim Eintritt in den Fotoresist zu verringern. Hierzu wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens ein Prisma 23 auf den Fotoresist 22 aufgebracht, das einen ähnlichen Brechungsindex wie der Fotoresist 22 aufweist. Durch geeignete Prismenwinkel kann damit ein nahezu geradliniger Durchgang des schräg einfallenden Belichtungsstrahls 24 durch das Prisma 23 und den Fotoresist 22 erreicht werden, wie dies in der 6 schematisch angedeutet ist.
Weiterhin kann auch die Belichtungsmaske 13/14 mit zusätzlichen Öffnungen strukturiert sein, um bei der Belichtung Linien konstanter Intensität im Fotoresist und somit eine gleichmäßige Belichtung unabhängig von Streueffekten zu erreichen. Die entsprechende Strukturierung der Maske kann auf Basis einer Computersimulation vorausberechnet werden.
Der Zwischenraum zwischen dem Ende der Glasfaser 3 und der prismatischen Struktur 5 kann zusätzlich mit einem transparenten Material aufgefüllt werden, um einerseits eine bessere Fixierung der Faser und andererseits ein Indexmatching zwischen dem Fasermaterial und dem Material der prismatischen Struktur zu erreichen. Hierbei wird vorzugsweise ein Polymer eingesetzt, dessen Brechungsindex zwischen dem Material des Faserkerns, beispielsweise SiO₂ mit einem Brechungsindex von 1,47, und dem Material des Fotolackes, beispielsweise mit einem Brechungsindex von 1,6, liegt. Im vorliegenden Beispiel kann hierfür beispielsweise auch ein Polymer mit dem Brechungsindex von 1,6 eingesetzt werden. Als Fotolack eignet sich beim vorliegenden Verfahren beispielsweise der bekannte Typ SU-8, der sich mit ausreichender Dicke auf das Glassubstrat aufbringen und strukturieren lässt.

1: erstes Substrat
2: Glassubstrat
3: Glasfaser
4: Führungsstruktur
5: prismatische Struktur
5a: Reflexionsfläche
6: VCSEL-Halbleiterlaser
6a: Laserstrahl
7: elektrische Kontaktflächen
8: Goldverspiegelung
9: Trichteröffnung
10: Positionierungsanschlag in Z-Richtung
11: Positionierungsanschlag in X-Richtung
12: Positionierungsanschlag in Y-Richtung
13: Schrägbelichtungsmaske
14: Schrägbelichtungsmaske
15: Wölbung für den Spiegel
16: Glassubstrat
17: Ausrichtungsmarkierungen
18: Wafer-Schnittlinien
19: Einzelstruktur für einen VCSEL
20: Vierfachstruktur für eine VCSEL-Reihe
21: Zwölffachstruktur für eine VCSEL-Reihe
22: Fotoresistschicht
23: Prisma
24: Belichtungsstrahl

Claims

Verfahren zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen zumindest einem optoelektronischen Bauelement (6) in einem ersten Substrat (1), das optische Strahlung annähernd senkrecht zu einer Substratoberfläche des ersten Substrats (1) abstrahlt oder empfängt, und zumindest einem an einem ersten Ende annähernd parallel zur Substratoberfläche ausgerichteten Lichtwellenleiter (3), insbesondere einer optischen Faser, bei dem auf ein zweites für zumindest einen Bereich der optischen Strahlung transparentes Substrat (2) eine Schicht eines zumindest nach einer Strukturierung für den Bereich der optischen Strahlung transparenten Materials (22) aufgebracht und derart strukturiert wird, dass das strukturierte Material (22) sowohl eine seitliche Führung (4) für das erste Ende des Lichtwellenleiters (3) als auch ein optisches Umlenkelement (5) für die optische Verbindung zwischen dem optoelektronischen Bauelement (6) und dem ersten Ende des Lichtwellenleiters (3) durch das zweite Substrat (2) hindurch bildet, wobei das zweite (2) mit dem ersten Substrat (1) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Umlenkelement (5) als reflektierende Struktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem Fotoresistmaterial (22) aufgebracht und fotolithographisch strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Reflexionsfläche (5a) dienende Begrenzungsfläche des optischen Umlenkelements (5) durch schräge Belichtung einer über der Schicht angeordneten Belichtungsmaske (13, 14) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte fotolithographische Strukturierung des Fotoresistmaterials (22) durch schräge Belichtung einer über der Schicht angeordneten Belichtungsmaske (13/14) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (1) mit mehreren in einem Raster angeordneten optoelektronischen Bauelementen (6) bereitgestellt wird, auf dem zweiten Substrat (2) im gleichen Raster die seitlichen Führungen und optischen Umlenkelemente (5) erzeugt werden und ein durch die Verbindung der beiden Substrate (1, 2) entstandener Substratverbund anschließend in einzelne Verbundeinheiten vereinzelt wird, die ein oder mehrere optoelektronische Bauelemente (6) enthalten können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Substrat (2) ein Glassubstrat eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (1) und zweite Substrat (2) miteinander verklebt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Reflexionsfläche (5a) dienende Begrenzungsfläche des optischen Umlenkelements (5) metallisch beschichtet wird.
Verfahren nach Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Reflexionsfläche (5a) dienende Begrenzungsfläche des optischen Umlenkelements (5) zur Fokussierung der optischen Strahlung gewölbt ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen dem in die seitliche Führung (4) eingesetzten ersten Ende des Lichtwellenleiters (3) und dem optischen Umlenkelement (5) mit einem für den Bereich der optischen Strahlung transparenten Füllmaterial gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllmaterial mit einem Brechungsindex eingesetzt wird, der zwischen dem Brechungsindex des Lichtwellenleiters (3) und dem Brechungsindex des strukturierten Materials (22) liegt.
Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen zumindest einem optoelektronischen Bauelement (6) in einem ersten Substrat (1), das optische Strahlung annähernd senkrecht zu einer Substratoberfläche des ersten Substrats (1) abstrahlt oder empfängt, und zumindest einem an einem ersten Ende annähernd parallel zur Substratoberfläche ausgerichteten Lichtwellenleiter (3), insbesondere einer optischen Faser, bestehend aus einem zweiten für zumindest einen Bereich der optischen Strahlung transparenten Substrat (2), auf dem eine Struktur eines für den Bereich der optischen Strahlung transparenten Materials aufgebracht ist, die sowohl eine seitliche Führung (4) für das erste Ende des Lichtwellenleiters (3) als auch ein optisches Umlenkelement (5) für die optische Verbindung zwischen dem in die Führung eingesetzten ersten Ende des Lichtwellenleiters (3) und dem optoelektronischen Bauelement (6) durch das zweite Substrat (2) hindurch bildet, das hierfür auf das erste Substrat (1) aufgesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Umlenkelement (5) als reflektierende Struktur ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die seitliche Führung (4) und das optische Umlenkelement (5) aus einem strukturierten Fotoresistmaterial (22) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (1) mehrere in einem Raster angeordnete seitliche Führungen (4) und optische Umlenkelemente (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (2) ein Glassubstrat ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Reflexionsfläche (5a) dienende Begrenzungsfläche des optischen Umlenkelements (5) metallisch beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Reflexionsfläche (5a) dienende Begrenzungsfläche des optischen Umlenkelements (5) zur Fokussierung der optischen Strahlung gewölbt ausgebildet ist.