DE102024200790B3

DE102024200790B3 - Optische Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102024200790B3
Application number: DE102024200790.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Lauermann; Zewang You; Philipp-Immanuel Dietrich; Noemie Estopinan; Evgenii Martianov; Lu MO; Juned Kemal
Original assignee: Vanguard Automation GmbH
Current assignee: Vanguard Automation GmbH
Priority date: 2024-01-29
Filing date: 2024-01-29
Publication date: 2025-05-28
Anticipated expiration: 2044-01-30
Also published as: WO2025162934A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung (10), deren Integrität und optische Eigenschaften auch unter sich ändernden Umgebungsbedingungen möglichst weitgehend erhalten bleiben, sowie auf ein Verfahren (300) zu ihrer Herstellung. Die Optische Anordnung (10) umfasst:
- mindestens einen Bauteilträger (20);
- mindestens ein auf dem Bauteilträger (20) angebrachtes optisches Bauteil (30, 31), wobei das optische Bauteil (30, 31) mindestens eine optische Koppelstelle (40, 41) aufweist;
- mindestens eine optische Freiformstruktur (50), die an die optische Koppelstelle (40, 41) angeschlossen ist;
- mindestens eine Mantelstruktur (70), welche die optische Freiformstruktur (50) zumindest bereichsweise umgibt, wobei die Mantelstruktur (70) mindestens ein viskoelastisches Mantelmaterial (80) umfasst;
- mindestens eine Begrenzungsstruktur (90), wobei die Begrenzungsstruktur (90) und das mindestens eine optische Bauteil (30, 31) eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur (70) ausbilden, wobei das Mantelmaterial (80) ein Speichermodul aufweist, das einen Maximalwert von 1000 kPa besitzt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der integrierten Optik, insbesondere auf Wellenleiterstrukturen für optische Verbindungen zwischen optischen Bauteilen, insbesondere zwischen planar-integrierten photonischen Systemen (Chip-Chip-Verbindungen) oder zwischen planar-integrierten photonischen System und Glasfasern (Faser-Chip-Verbindungen). Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung, deren Integrität und optische Eigenschaften auch unter sich ändernden Umgebungsbedingungen möglichst weitgehend erhalten bleiben, sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Stand der Technik
In der integrierten Optik werden für optische Anordnungen, die auch als „integrierte optische Systeme“ bezeichnet werden können, unterschiedliche Materialplattformen eingesetzt, bevorzugt Indiumphosphid (InP), Silizium (SiP), Siliziumnitrid (SiN), Polymer und Glas, wobei jede Materialplattform ihre spezifischen Vor- und Nachteile aufweist. Eine Verwendung unterschiedlicher Materialplattformen, die so genannte „Hybridintegration“, bietet Möglichkeiten, Vorteile der unterschiedlichen Materialplattformen geschickt miteinander zu kombinieren. Eine kosteneffiziente und technisch realisierbare Integration ist jedoch nicht trivial. Die als „Butt-Coupling“ bezeichnete herkömmliche Technik einer direkten Verbindung von zwei Bauteilen auf einer Ausrichtung mit einer Präzision im unteren Mikrometerbereich oder sogar Submikrometerbereich. Dies erfordert oft langsame und aufwändige aktive Ausrichtungsverfahren, bei denen die Kopplungseffizienz kontinuierlich überwacht wird, während die Position der Bauelemente optimiert wird. Weiterhin muss die Anpassung der verschiedenen Modenfelder der Bauteile auf dem jeweiligen Bauteil direkt erfolgen. Hierfür erforderliche Modenfeldkonverter benötigen einen signifikanten Anteil an der Chipfläche und/oder zusätzliche Verfahrensschritte bei der Herstellung. Ein anderer Ansatz besteht in einer Verwendung zusätzlicher Bauelemente, bevorzugt Mikrolinsen, Prismen oder mikromechanische Träger, um die Größe des Modenfelds und die Emissionsrichtung von Lichtquelle zwischen den optischen Bauelementen anzupassen, was zu vergleichsweise großen Baugruppen führt. In noch weiteren Ansätzen werden beispielsweise III-V-Bauelemente (InP-Bauelemente) auf einem SiP-Chip montiert. Dieser Ansatz verbraucht nicht nur viel Platz auf dem Chip, sondern stellt auch eine Herausforderung für die Wärmeableitung der III-V-Bauelemente durch ein darunterliegendes Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat dar, da die Wärmeleitfähigkeit des vergrabenen Oxids vergleichsweise gering ist.
Darüber hinaus benötigen viele optische Bauelemente optische Verbindungen zu Glasfasern. Wie beispielsweise bei der hybriden Integration zwischen InP- und SiP-Materialplattformen umfassen konventionelle Ansätze die oben bereits erwähnte Butt-Coupling oder eine Verwendung eines optischen Freistrahlpfades durch optische Elemente, insbesondere Linsen oder Spiegel. Bei diesen Verfahren wird ebenfalls häufig die Technik der aktiven Ausrichtung eingesetzt. Eine Glasfaser wird mit einem Laserschweißverfahren oder einem UV-Epoxidklebeverfahren in einer optimierten Position fixiert, wobei Ausrichtungstoleranzen im Submikrometerbereich erforderlich sind. Dieser Prozess wird auf Komponentenebne oder auf Gehäuseebene durchgeführt und führt zu unerwünschten Durchsatzbeschränkungen mit Zykluszeiten in der Größenordnung von Minuten bis zu einigen Dutzend Minuten pro Gehäuse, abhängig von der Komplexität des zu montierenden photonischen Bauelements.
„Photonic Wire Bonding“ (PWB) ist Verfahren zur automatisierten 3D-Fertigung von optischen Verbindungen. Das dreidimensionale (3D-) Nanodrucken von Freiform-Lichtwellenleitern basiert auf der Zweiphotonen-Polymerisationstechnologie (TPP) mittels Femtosekundenlasern mit einer Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze. Eine Form von photonischen Wirebonds kann über unterschiedliche Materialplattformen hinweg an die Wellenleiterabmessungen, d. h. die entsprechenden Modenfeldprofile, der Bauelemente und/oder Komponenten angepasst werden. Typische Wellenleiterdimensionen auf optischen Chips, die mittels photonischen Wirebonds verbunden werden können, reichen von unter 1 µm für Si-WGs, etwa 2 µm bis 5 µm für InP-Chips, und Kerndurchmesser von ca. 10 µm für Einmoden-Fasern und 62,5 µm für Mehrmoden-Fasern. Position und Trajektorie der photonischen Wirebonds können an die exakten Positionen der Chips angepasst werden, so dass die hochpräzise Ausrichtung der Chips überflüssig wird, was die Technik für die automatisierte Massenproduktion geeignet macht. PWB ermöglicht eine verlustarme Kopplung zwischen verschiedenen Schnittstellen.
Zur optischen Verbindung von einmodigen Wellenleitern sollte ein photonischer Wirebond derart dimensioniert sein, dass er im Wesentlichen einmodig ist, insbesondere wenn die Trajektorie des photonischen Wirebonds Biegungen umfasst. Für gängige Abmessungen erfordert dies eine Ummantelung („Cladding“) des photonischer Wirebonds mit einer Mantelstruktur aus einem ausgewählten Mantelmaterial, welches einen gewünschten optischen Brechungsindex bereitstellt, so dass zusammen mit dem Material des photonischen Wirebonds ein entsprechender Indexkontrast eingestellt wird. Darüber hinaus sollte die Mantelstruktur den photonischer Wirebond derart stabilisieren, dass eine optische Anordnung unter verschiedensten Umgebungsbedingungen über lange Zeit betrieben werden kann. Aufgrund der Abmessungen von photonischen Wirebonds, die eine Breite und Dicke von wenigen Mikrometern und eine Länge von einigen hundert Mikrometern aufweisen, besteht die Herausforderung darin, eine optische Verbindung mittels photonischer Wirebonds derart bereitzustellen, dass diese unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gut funktioniert. Wird eine optische Anordnung beispielsweise wechselnden Temperaturen von -40 °C bis +85 °C ausgesetzt ist, dürfen die optischen Eigenschaften dennoch nicht signifikant variieren oder gar degradieren. Eine optische Anordnung zur optischen Verbindung zwei oder mehrerer optischer Bauteile umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien mit grundsätzlich verschiedenen Eigenschaften, angefangen vom mechanischen Träger, über die Materialien der optischen Chips bis hin zu dem Material der photonischen Wirebonds und der Mantelstruktur. Unter wechselnden Umgebungsbedingungen können die verschiedenen Materialien ihre Eigenschaften, beispielsweise ihre thermische Ausdehnung, unterschiedlich verändern.
US 2013/0223788 A1 offenbart, dass eine Freiformstruktur in ein mittels UV oder Wärme härtbares Polymermaterial eingebettet wird, wie z.B. CYTOP, ein Fluorpolymer mit einem Brechungsindex von ca. 1.37, einer Durometer Härte ShoreD 78 und einem linearen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von 74 ppm/K. Durch das aushärtbare Polymer wird die Freiformstruktur fest von dem Polymer umschlossen; das Polymer ist um die optische Koppelstelle lokalisiert. Allerdings führt der im Vergleich zu den optischen Bauteilen aus Silizium, InP, oder Glas ca. 10-fach größere CTE zu einer starken Relativbewegung zwischen dem Mantelmaterial und den optischen Bauelementen unter variablen Umgebungsbedingungen. Aufgrund der hohen Härte des Mantelmaterials folgt die eingebettete Freiformstruktur im Allgemeinen dieser Relativbewegung, was zu hohen optischen Verlusten führen kann, bis hin zu einem vollständigen Verlust der optischen Kopplung, wenn die Freiformstruktur von der optischen Koppelstelle des optischen Bauelements getrennt wird.
BILLAH, Muhammad Rodlin [u.a.]: Hybrid integration of silicon photonics circuits and InP lasers by photonic wire bonding. In: Optica, Bd. 5, 2018, H. 7, S. 876-883. - ISSN 2334-2536 (E). DOI: 10.1364/OPTICA.5.000876. schlagen vor, ein Indexöl als Mantelmaterial zu nutzen, um einen passenden Brechungsindex-Kontrast zwischen der Freiformstruktur und dem Mantelmaterial einzustellen. Allerdings besteht hier das Problem, dass das Öl, welches auf die Koppelstelle getropft wird, aus dem Bereich der optischen Kopplung fließen kann, was zu keiner langzeitstabilen Anordnung führt.
DE 10 2016 221 464 A1 offenbart ein optisches System und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das optische System weist mindestens zwei gesonderte optische Komponenten und mindestens eine optische Verbindung zwischen den zwei optischen Komponenten. Das Verfahren umfasst hierbei die folgenden Schritte: Bereitstellen einer ersten und einer zweiten, gesonderten optischen Komponente, wobei die erste optische Komponente ein erstes Strahlprofil und die zweite optische Komponente ein zweites Strahlprofil aufweist;Entwerfen des optischen Systems unter Festlegung einer Anordnung der ersten und der zweiten optischen Komponente sowie von Form und Zielposition mindestens eines strahlformenden Elements, wobei das strahlformende Element fest mit der ersten und/oder der zweiten optischen Komponente verbunden wird, wobei das strahlformende Element dazu eingerichtet ist, um das erste und/oder das zweite Strahlprofil derart zu verändern, dass nach einer Positionierung der ersten und der zweiten optischen Komponente eine optische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten optischen Komponente entsteht; Herstellen des strahlformenden Elements mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens an der Zielposition, wodurch mindestens eine um das strahlformende Element ergänzte optische Komponente erhalten wird; und Positionieren und Fixieren der um das strahlformende Element ergänzten optischen Komponente auf einer gemeinsamen Grundplatte, wodurch das optische System erhalten wird.
DE 10 2020 212 112 A1 offenbart ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das optische Wellenleiterbauelement umfasst mindestens eine optische Wellenleiterstruktur, die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist; mindestens eine Führungsstruktur, die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur; und mindestens ein Mantelmaterial, das einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur zumindest teilweise ausfüllt.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine optische Anordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, eine optische Anordnung bereitzustellen, bei welcher trotz Änderungen von Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, bevorzugt von bis zu ± 260 K, besonders bevorzugt von bis zu ± 80 K, oder des Umgebungsdrucks oder eines Auftretens von Vibrationen, eine Änderung von relativen Position der optischen Bauteile, der optischen Freiformstruktur und der Mantelstruktur für die optische Freiformstruktur zueinander so gering ist, dass keine signifikanten Veränderungen der optischen Eigenschaften der optischen Anordnung auftreten. Typisch zu erwartende Änderungen der Umgebungsbedingungen umfassen Temperaturänderungen von -40 °C auf +85 °C oder von -60 °C auf +125 °C oder Vibrationen der optischen Anordnung von 10 Hz bis 2 kHz mit Beschleunigungen bis zu 20 g und mechanische Shocks mit Beschleunigungen bis 500 g innerhalb einer Millisekunde.
Die Änderung der optischen Verluste einer optischen Freiformstruktur, die zur optischen Kopplung von mindestens zwei optischen Bauteilen verwendet wird, sollte bevorzugt höchstens 2 dB, besonders bevorzugt höchstens 0,5 dB, betragen, sofern typische Schwankungen der Umgebungsbedingungen, insbesondere eine Temperaturänderung von ± 80 K, auftreten. Bei einem photonischen Wirebond oder einer gedruckten 3D-Mikrolinse, die zwischen zwei optischen Bauteilen auf einem gemeinsamen Träger als optische Freiformstruktur eingebracht werden, sollte die durch eine Relativbewegung einer die optische Freiformstruktur umgebende Mantelstruktur auftretende Änderung der optischen Freiformstruktur in Bezug auf eine Lage der Koppelstellen an den optischen Bauteilen bevorzugt höchstens 20 µm, besonders bevorzugt höchstens 6 µm,sein.
Es wäre zudem wünschenswert, wenn die optischen Eigenschaften der optischen Verbindung konstant gehalten werden könnten und die Mantelstruktur im Bereich der optischen Kopplung von mindestens zwei optischen Bauteilen lokalisiert verbleiben könnte und weder zerfließen noch sich über einen längeren Zeitraum bewegen und damit andere optischer Bauteile, die sich in der Nähe der optischen Koppelstelle befinden, kontaminieren würde. Weiterhin sollten Änderungen von Umgebungsbedingungen keinen oder höchstens einen vernachlässigbaren Einfluss auf die optischen Eigenschaften der optischen Bauteile aufweisen, so dass vorzugsweise eine Langzeitstabilität der optischen Anordnung gewährleistet bleibt.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Anordnung. Der Begriff der „optische Anordnung“ bezeichnet hierbei eine mehrteilige Vorrichtung, umfassend eine Mehrzahl an Elementen, die derart zusammenwirken, dass diese zu einer Verarbeitung von optischer Strahlung eingerichtet sind. Die hierzu verwendete optische Strahlung kann grundsätzlich jede Art von optischer Strahlung, die eine Wellenlänge im Bereich des optischen Spektrums oder eines angrenzenden Spektralbereichs aufweist, umfassen. Während das sichtbare optische Spektrum Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm aufweist, umfassen der infrarote Spektralbereich Wellenlängen von 780 nm bis 1 mm, insbesondere von 780 nm bis 3 µm, 15 (Nahinfrarot, „NIR“) oder von 3 µm bis 8 µm von (mittleres Infrarot, „MIR“), und der ultraviolette Spektralbereich Wellenlängen von 1 nm bis 400 nm, bevorzugt von 100 nm bis 400 nm, insbesondere von 400 nm bis 315 nm („UV-A“), von 315 nm bis 280 nm („UV-B“) oder von 280 nm bis 100 nm („UV-C“). Besonders bevorzugt ist eine Wellenlänge von 500 nm bis 2000 nm.
Die optische Anordnung umfasst:

- mindestens einen Bauteilträger;
- mindestens ein auf dem Bauteilträger angebrachtes optisches Bauteil, wobei das optische Bauteil mindestens eine optische Koppelstelle aufweist;
- mindestens eine optische Freiformstruktur, die an die optische Koppelstelle angeschlossen ist;
- mindestens eine Mantelstruktur, welche die optische Freiformstruktur zumindest bereichsweise umgibt, wobei die Mantelstruktur mindestens ein viskoelastisches Mantelmaterial umfasst;
- mindestens eine Begrenzungsstruktur, wobei die Begrenzungsstruktur und das optische Bauteil eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur ausbilden;

Die vorliegende optische Anordnung umfasst mindestens einen Bauteilträger. Der Begriff des „Bauteilträgers“ bezeichnet hierbei ein, vorzugsweise ebenes Substrat, das zur Aufnahme mindestens eines weiteren Elements, insbesondere der mindestens zwei optischen Bauteile und der mindestens einen Füllstruktur, eingerichtet ist. Der Bauteilträger kann bevorzugt ein transparentes oder nicht-transparentes Substrat sein, vorzugsweise umfassend Glas, Silizium, mindestens ein Metall, insbesondere Wolfram-Kupfer oder Invar36, eine Keramik, insbesondere Aluminium-Nitrit oder Aluminiumoxid; eine Verwendung eines anderen Materials für den Bauteilträger ist jedoch möglich.
Die vorliegende optische Anordnung umfasst weiterhin mindestens ein auf dem Bauteilträger angebrachtes optisches Bauteil. Der Begriff des „optischen Bauteils“ bezeichnet hierbei ein optisches Element, das zum Aussenden, Empfangen, Verändern oder Übertragen von Licht eingerichtet ist. Das optische Bauteil kann hierbei ein einziges optisches Element oder eine Mehrzahl an optischen Elementen umfassen. Das optische Element kann vorzugsweise ausgewählt sein aus einer Glasfaser, insbesondere einer lichtleitenden Einmoden- oder Mehrmodenfaser aus organischen oder anorganischen Materialien, halbleiterbasierte integriert-optische Chips, insbesondere Laser, optische Verstärker, Fotodioden, Superlumineszenz-Dioden oder Silizium-Photonik-Chips, integriert-optische Chips auf Basis von Halbleitern oder dielektrischen Materialien, bevorzugt Gläsern, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Polymeren; optische Leiterplatten, oder optische Elemente für die Freistrahl-Optik, insbesondere Linsen, Strahlteiler, Isolatoren, Dünnschichtfilter, Spiegel, oder Beugungsgitter. Andere Arten von optischen Komponenten sind denkbar, insbesondere Filter, Leistungsteiler oder elektrooptische Modulatoren.
Das mindestens eine optische Bauteil weist mindestens eine optische Koppelstelle auf. Der Begriff der „optischen Koppelstelle“ bezeichnet einen Teilbereich von zu verbindenden optischen Komponente, über welche Licht in ein optisches Bauteil eingekoppelt werden kann oder Licht aus einem optische Bauteil emittiert werden kann. In einfachen optischen Komponenten, wie z.B. optischen Fasern oder kantenemittierenden integriert-optischen Chips, kann die optische Koppelstelle auch als „Facette“ oder „Wellenleiterfacette“ bezeichnet werden. Bei Fotodioden kann die optische Koppelstelle identisch mit einer so genannten „aktiven Fläche“ eines zum Nachweis verwendeten pn-Übergangs sein, innerhalb der das eingestrahlte Licht zur Erzeugung eines elektrischen Signals führt. Bei Lasern kann es sich um eine lichtemittierende Fläche an einer Kante oder auf einer Oberfläche handeln. Komplexere Ausführungen von optische Koppelstellen können als Gitterkoppler, als so genannte „inverse Taper“ oder als geätzte Mikrospiegel ausgestaltet sein. Andere Arten von optischen Koppelstellen sind jedoch möglich.
Die vorliegende optische Anordnung umfasst weiterhin mindestens eine optische Freiformstruktur, Der Begriff der „optischen Freiformstruktur“ bezeichnet hierbei eine Struktur, die, im Rahmen technischer Begrenzungen in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit, zumindest bereichsweise beliebig gekrümmte Oberflächen aufweisen kann. Ein Freiformstruktur unterscheidet sich damit insbesondere von klassischen Strukturgeometrien, die sich durch planare Mikrostrukturierungsverfahren herstellen lassen. Eine Kombination dieser klassischen planaren Mikrostrukturierungsverfahren führt in der Regel zu prismenähnlichen dreidimensionalen Strukturgeometrien, welche je eine, im Wesentlichen zur Substratoberfläche parallele Grundfläche und Deckfläche aufweisen, die ihrer Form identisch oder sehr ähnlich sind, und die durch zur Substratoberfläche, abhängig vom jeweiligen Ätzprozess oder Abscheideprozess, senkrechte, geneigte oder nach innen oder außen gewölbte Seitenwände miteinander verbunden werden. Im Gegensatz hierzu ist eine optische Freiformstruktur diesen Einschränkungen nicht oder nicht in demselben Maße unterworfen, wodurch es insbesondere möglich wird, wellenleiterbasierte optische Koppelelemente mit nicht-planaren Strukturen bereitzustellen, bei denen die Mittelinien der das Koppelelement bildenden Wellenleiter nicht in einer gemeinsamen oder in zueinander parallelen Ebenen liegen müssen. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die optische Freiformstruktur einen photonischen Wirebond oder eine mikrooptische Struktur, vorzugsweise eine gedruckte 3D-Mikrolinse, umfassen; die Wahl einer anderen optische Freiformstruktur ist j edoch möglich. Insbesondere kann die optische Freiformstruktur mittels eines additiven Nanofabrikationsverfahren, besonders bevorzugt mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, hergestellt sein.
In der vorliegenden optischen Anordnung ist mindestens eine optische Freiformstruktur an mindestens eine der optischen Koppelstellen angeschlossen. Der Begriff „angeschlossen“ bedeutet hierbei, dass eine optische Freiformstruktur in fester mechanischer Beziehung mit einer optischen Koppelstelle steht und Licht aus der optischen Koppelstelle mit der Freiformstruktur in Wechselwirkung treten kann. Hierzu ist es jedoch nicht erforderlich, dass die angeschlossene Freiformstruktur in einem festen mechanischem Kontakt mit der optischen Koppelstelle steht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann genau eine optische Freiformstruktur, insbesondere ein photonischer Wirebond, dazu dienen, eine optische Verbindung zwischen zwei, voneinander entfernten optischen Koppelstellen, bereitzustellen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann ein lateraler Abstand der beiden optischen Koppelstellen voneinander von 10 µm bis 10 mm, bevorzugt von 20 µm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 80 µm bis 500 µm, betragen. In einer alternativen Ausgestaltung kann genau eine optische Freiformstruktur, insbesondere eine gedruckte 3D-Mikrolinse, an genau eine der optischen Koppelstellen angeschlossen sein, so dass die optische Strahlung aus einer ersten optischen Koppelstelle auf eine zweite optische Koppelstelle eines zweiten optischen Bauelements geleitet wird. Eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen ist jedoch denkbar.
Die vorliegende optische Anordnung umfasst weiterhin mindestens eine Mantelstruktur, welche die optische Freiformstruktur zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, umgibt. Der Begriff der „Mantelstruktur“ bezeichnet hierbei ein Volumen, das von einem Mantelmaterial ausgefüllt ist und das dazu eingerichtet, die optische Freiformstruktur derart stabilisieren, dass die optische Anordnung unter verschiedensten Umgebungsbedingungen über lange Zeit betrieben werden kann. Darüber hinaus kann die Mantelstruktur auch für weitere Zwecke verwendet werden. Insbesondere im Falle, dass die optische Freiformstruktur einen photonischen Wirebond umfasst, kann das Mantelmaterial weiterhin dazu eingerichtet sein, einen gewünschten optischen Brechungsindex bereitzustellen, damit sich ein optischer Wellenleiter aus dem photonischen Wirebond als Wellenleiterkern und der den photonischen Wirebond als Ummantelung („Cladding“) umgebenden Mantelstruktur ausbilden kann. Weitere Möglichkeiten sind denkbar.
Das von der Mantelstruktur umfasste Mantelmaterial kann aus einer Vielzahl von Materialien ausgewählt werden. In einer Ausgestaltung, in welcher die optische Freiformstruktur mindestens ein Polymer umfasst, eignen sich hierfür insbesondere niedrigbrechende Polymere, insbesondere aus der Gruppe der Acrylate oder Epoxide, Polymere die fluoriniert sein können, Polymere die polysiloxan-basierte Komponenten aufweisen können, oder Öle; eine Verwendung anderer Substanzen ist jedoch möglich.
Erfindungsgemäß weist das Mantelmaterial ein Speichermodul auf, das einen Maximalwert von 1000 kPa aufweist. Der Begriff des „Speichermoduls“ bezeichnet hierbei eine Energie, welche nach Beaufschlagen eines Gegenstands mittels einer Kraft in dem Gegenstand gespeichert wird, wobei die Beaufschlagung mittels einer Kraft dynamisch oder statisch erfolgen kann. Ein Teil dieser Energie kann nach erfolgter Entlastung des Gegenstands von der beaufschlagenden Kraft wieder aus dem Gegenstand erhalten werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Speichermodul weiterhin höchstens um einen Faktor 1000 größer sein als ein Verlustmodul des Mantelmaterials. Hierbei bezeichnet der Begriff des „Verlustmoduls“ einen weiteren Teil dieser Energie, der nach erfolgter Entlastung des Gegenstands von der beaufschlagenden Kraft in dem Gegenstand verbleibt, insbesondere nachdem er durch innere Reibung in Wärme umgewandelt wurde. Die Angabe des Verlustmoduls bezeichnet somit einen viskosen Anteil des Materials in dem Gegenstand. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Mantelmaterial einen nicht vernachlässigbaren viskosen Anteil aufweisen. Das bedeutet, dass das Material eine sog. „strain relieving“ Eigenschaft aufweist, d.h. Spannungen können durch externe Verformung des Mantelmaterials mit der Zeit abgebaut werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Speichermodul einen Maximalwert von 500 kPa, besonders bevorzugt von 200 kPa, insbesondere von 100 kPa, aufweisen und das Speichermodul des Mantelmaterials kann höchstens um einen Faktor 500, besonders bevorzugt höchstens um einen Faktor 200, insbesondere höchstens um einen Faktor 100, größer sein als das Verlustmodul des Mantelmaterials. In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung kann

- das Speichermodul einen Wert von 0,1 kPa bis 60 kPa, bevorzugt von 1 kPa bis 30 kPa, besonders bevorzugt von 2 kPa und 15 kPa, aufweisen; und
- das Verlustmodul einen Wert von 0.01 kPa bis 30 kPa, bevorzugt von 0.05 kPa und 10 kPa, besonders bevorzugt von 0.1 kPa und 5 kPa, aufweisen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Wert des Speichermoduls geringer sein als der Wert des Verlustmoduls des Mantelmaterials, so dass das Verhalten des Mantelmaterials dem einer Flüssigkeit entspricht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann ein Wert für das Speichermodul derart festgelegt sein, dass innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der optischen Anordnung festgelegt sind, das Mantelmaterial seine räumliche Lage und Form im Wesentlichen beibehält und zumindest die Freiformstruktur weiterhin zumindest bereichsweise umgibt. Der Begriff der „Umgebungsbedingungen“ bezeichnet hierbei auf die optische Anordnung, insbesondere auf die optische Freiformstruktur, einwirkende externe Parameter. Hierzu gehören insbesondere eine Temperatur, ein Umgebungsdruck oder Vibrationen, welche die optische Anordnung von außen beaufschlagen. Eine Verwendung der Füllstruktur bewirkt trotz Änderungen der Temperatur, des Umgebungsdrucks oder eines Auftretens von Vibrationen, dass eine Änderung von relativen Position der optischen Bauteile, der optischen Freiformstruktur und der Mantelstruktur zueinander so gering ist, dass keine signifikanten Veränderungen der optischen Eigenschaften der optischen Anordnung auftreten. Typisch zu erwartende Änderungen der Umgebungsbedingungen bei hierin vorgestellten optischen Anordnungen können Temperaturänderungen von -40 °C auf +85 °C oder von -60 °C auf +125 °C oder Vibrationen der optischen Anordnung von 10 Hz bis 2 kHz mit Beschleunigungen bis zu 20 g und mechanische Shocks mit Beschleunigungen bis 500 g innerhalb einer Millisekunde umfassen; Änderungen über andere Bereiche sind jedoch denkbar.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung kann ein Wert für ein Schubmodul des Mantelmaterials derart festgelegt sein, dass bei einer lokalen Relativbewegung zwischen der Mantelstruktur und der Freiformstruktur innerhalb der Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung festgelegt sind, eine Schubspannung des die Freiformstruktur umgebenden Mantelmaterials so gering ist, dass die Freiformstruktur ihre räumliche Lage und Form im Wesentlichen beibehält. Der Begriff des „Schubmoduls“ bezeichnet hierbei einen Parameter eines Materials, der eine linear-elastische Verformung eines dieses Material umfassenden Gegenstands infolge einer Schubspannung oder einer Scherkraft angibt, wobei die Verformung dynamisch oder statisch erfolgen kann. Eine signifikante Verformung oder Verschiebung liegt dann in der optischen Anordnung vor, wenn sich die optische Kopplung mittels der Freiformstruktur zwischen den beiden Bauteilen um mindestens 1,5 dB, bevorzugt um mindestens 1,0 dB, insbesondere um mindestens 0,5 dB, ändert. Es kann davon ausgegangen werden, dass kleinere Verformungen oder Verschiebungen der Freiformstruktur, welche die optischen Kopplungsverluste nicht beeinflussen, bei Rückkehr zu den ursprünglichen Umgebungsbedingungen wieder relaxieren.
Vorzugsweise kann das Mantelmaterial einen optischen Brechungsindex von 1 bis 1,8, besonders bevorzugt von 1,2 bis 1,5, insbesondere von 1,3 bis 1,47, aufweisen. Ein optischer Brechungsindexunterschied zwischen dem Material der optischen Freiformstruktur und dem Mantelmaterial kann bevorzugt von 0,02 bis 1, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,5, insbesondere von 0,07 bis 0,2, betragen. In einer besonders Ausgestaltung kann das Mantelmaterial ein optisch transparentes Material sein. Hierzu kann das Mantelmaterial bevorzugt so gewählt werden, dass eine möglichst geringe Absorption bei einer Betriebswellenlänge der optischen Freiformstruktur auftritt. Die Materialabsorption des Mantelmaterials beträgt höchstens 10 dB/mm, besonders bevorzugt höchstens 5 dB/mm, insbesondere höchstens 2 dB/mm, 1 dB/mm oder 0.5 dB/mm, innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 250 nm bis 5000 nm, bevorzugt von 400 nm bis 2500 nm, besonders bevorzugt von 530 nm bis 2300 nm, insbesondere von 530 nm bis 1650 nm.
Die vorliegende optische Anordnung umfasst weiterhin mindestens eine Begrenzungsstruktur, welche zusammen mit dem optischen Bauteil und optional weiteren Elementen, insbesondere dem Bauteilträger, eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur ausbildet. Der Begriff der „Begrenzungsstruktur“ bezeichnet hierbei ein Volumen, das von einem Begrenzungsmaterial ausgefüllt ist und das alleine oder unter zusätzlicher Verwendung mindestens einer weiteren Struktur dazu eingerichtet ist, die Mantelstruktur derart stabilisieren, dass die optische Anordnung, insbesondere die hiervon umfasste mindestens eine optische Freiformstruktur, unter verschiedensten Umgebungsbedingungen über lange Zeit betrieben werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Begrenzungsstruktur zusammen mit dem mindestens einen optischen Bauteil und dem mindestens einen Bauteilträger eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur ausbilden.
Das Begrenzungsmaterial kann bevorzugt aus mindestens einem vernetzbaren Polymer, vorzugsweise basierend auf einem Epoxid, Acrylat oder Silikon oder einer Kombination hiervon, ausgewählt sein. Die Begrenzungsstruktur kann insbesondere auch dazu eingerichtet sein, sowohl eine laterale Begrenzung (Damm), als auch eine Begrenzung auf einer Oberseite (Verkapselung) der optische Anordnung 10 auszubilden. Die Vernetzung des mindestens einen Polymers kann vorzugsweise mittels UV-Belichtung, thermischer Beaufschlagung, bei Raumtemperatur mittels Feuchte und/oder einer Zwei-Komponenten-Reaktion erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Begrenzungsstruktur derart eingerichtet sein, dass bei einer Veränderung eines Volumens der Mantelstruktur ein Druck im Inneren der Mantelstruktur im Wesentlichen konstant bleibt. Hierbei bezeichnet der Begriff „im Wesentlichen konstant“, dass sich Falle dass die Begrenzungsstruktur elastisch ausgestaltet ist, der Druck um einen kleinen Betrag erhöhen kann, insbesondere wenn eine Volumenänderung der Mantelstruktur, beispielsweise durch thermische Ausdehnung, zu einer Druckerhöhung innerhalb des von der Begrenzungsstruktur eingefassten Volumens führen; vielmehr kann die Begrenzungsstruktur aufgrund ihrer elastischen Ausgestaltung selbst verformt werden. Hierzu kann insbesondere mindestens ein Teil der Begrenzungsstruktur aus einer dünnen Lage, bevorzugt 1 mm oder weniger, besonders bevorzugt 0,5 mm oder weniger, insbesondere 0,1 mm oder weniger, des Begrenzungsmaterials ausgebildet sein, wobei das Begrenzungsmaterial eine Härte bevorzugt von Shore A 80 oder geringer, besonders bevorzugt Shore A 50 oder geringer, aufweisen kann. Bevorzugt kann das Begrenzungsmaterial ein höheres Speichermodul als das Mantelmaterial aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann die Begrenzungsstruktur in Form eines Deckels, der insbesondere ein dünnes Glas oder eine dünne Deckmembran umfassen kann, vorliegen. Hierbei kann der Deckel vorzugsweise mit mindestens einem optischen Bauteil und, weiter bevorzugt, mit mindestens einem weiteren Teil der der Begrenzungsstruktur verklebt sein. Über Material und Dicke des Deckels kann auch die Elastizität der Begrenzungsstruktur eingestellt werden. In einer besonderen Ausgestaltung kann die Begrenzungsstruktur mindestens eine Klebefuge oder zusätzlich aufgebrachte Struktur aufweisen.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Begrenzungsstruktur einen als „Schale“ bezeichneten, äußeren Bereichs der Mantelstruktur umfassen, wobei ein als „Kern“ bezeichneter, innerer Bereich der Mantelstruktur das viskoelastische Mantelmaterial aufweist. Die Schale kann hierbei eine Dicke von höchstens 100 µm, besonders bevorzugt von höchstens 50 µm, aufweisen. Hierbei kann der Kern als flüssiges Material vorliegen, während die „Schale“ ein festes Material umfassen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die optische Anordnung zusätzlich über mindestens eine Öffnung in der Begrenzungsstruktur verfügen. Hierbei kann eine Größe der Öffnung so gewählt sein, dass das viskoelastischen Mantelmaterial bei Volumenänderungen nicht herausfließen kann, sondern durch Oberflächenspannung in dem eingeschlossenen Volumen gehalten ist. Dadurch kann das flüssige Mantelmaterial in Position gehalten sein, während bei Volumenänderungen, insbesondere durch thermische Ausdehnung, gleichzeitig keine Druckänderungen im Inneren der Begrenzungsstruktur auftreten können, welche sich negativ auf die optische Anordnung, insbesondere die Freiformstruktur, auswirken könnten. Die mindestens eine Öffnung in der Begrenzungsstruktur kann hierbei laterale Ausdehnungen von bevorzugt 200 µm oder weniger, besonders bevorzugt von 100 µm oder weniger, insbesondere von 50 µm oder weniger, aufweisen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Anordnung, insbesondere der oben oder unten näher beschriebenen einer optischen Anordnung. Das vorliegende Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte, wobei ein oder mehrere, insbesondere aufeinanderfolgende Verfahrensschritte, auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden können:

a) Bereitstellen mindestens eines Bauteilträgers;
b) Anbringen mindestens eines optischen Bauteils, das mindestens eine optische Koppelstelle aufweist, auf dem Bauteilträger;
c) Anschließen mindestens einer optischen Freiformstruktur an die mindestens eine optische Koppelstelle;
d) Zumindest bereichsweises Umgeben der optischen Freiformstruktur mit mindestens einer Mantelstruktur, wobei die Mantelstruktur mindestens ein viskoelastisches Mantelmaterial umfasst;
e) Erzeugen mindestens einer Begrenzungsstruktur derart, dass die Begrenzungsstruktur und das optische Bauteil eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur ausbilden,

Gemäß Verfahrensschritt a) erfolgt ein Bereitstellen mindestens eines Bauteilträgers, insbesondere mindestens eines der oben oder unten näher beschriebenen Bauteilträgers.
Gemäß Verfahrensschritt b) erfolgt ein Anbringen mindestens eines optischen Bauteils, das, wie oben oder unten näher beschrieben, mindestens eine optische Koppelstelle aufweist, auf dem Bauteilträger.
Gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt, wie oben oder unten näher beschrieben, ein Anschließen mindestens einer optischen Freiformstruktur an die mindestens eine optische Koppelstelle.
Insbesondere kann die optische Freiformstruktur mittels eines additiven Nanofabrikationsverfahren, besonders bevorzugt mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, hergestellt werden; eine Verwendung eines anderen Verfahrens ist jedoch möglich.
Gemäß Verfahrensschritt d) erfolgt ein zumindest bereichsweises Umgeben der optischen Freiformstruktur mit mindestens einer Mantelstruktur, wobei die Mantelstruktur mindestens ein viskoelastisches Mantelmaterial umfasst, wobei das Mantelmaterial derart ausgewählt wird, dass es ein Speichermodul aufweist, das einen Maximalwert von 1000 kPa besitzt. Besonders bevorzugt kann das Speichermodul höchstens um einen Faktor 1000 größer sein als ein Verlustmodul des Mantelmaterials.
Gemäß Verfahrensschritt e) erfolgt ein Erzeugen mindestens einer Begrenzungsstruktur derart, dass die Begrenzungsstruktur und das optische Bauteil eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur ausbilden. Hierbei kann das Erzeugen der Begrenzungsstruktur bevorzugt durch Anbringen der Begrenzungsstruktur auf die die Mantelstruktur erfolgen. Hierbei kann die Begrenzungsstruktur zumindest teilweise auch schon vor Verfahrensschritt d) aufgebracht werden kann. In einer alternativen Ausgestaltung kann das Erzeugen der Begrenzungsstruktur durch Behandlung des als „Schale“ bezeichneten, äußeren Bereichs der Mantelstruktur erfolgen, wobei das viskoelastische Mantelmaterial in dem als „Kern“ bezeichneten, inneren Bereich der Mantelstruktur verbleibt. Die Behandlung kann vorzugsweise mittels UV-Belichtung, thermischer Beaufschlagung, bei Raumtemperatur mittels Feuchte und/oder einer Zwei-Komponenten-Reaktion erfolgen. Durch die Behandlung bildet sich die Schale aus, die eine Dicke von höchstens 100 µm,besonders bevorzugt von höchstens 50 µm, aufweist.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung und auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende optische Anordnung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten optischen Anordnungen auf. Bei der bereitgestellten optischen Anordnung sind trotz Änderungen von Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, bevorzugt von ± 260 K, besonders bevorzugt von ± 80 K, oder des Umgebungsdrucks oder eines Auftretens von Vibrationen, eine Änderung von relativen Position der optischen Bauteile, der optischen Freiformstruktur und der Schutzstruktur für die optische Freiformstruktur zueinander so gering ist, dass keine signifikanten Veränderungen der optischen Eigenschaften der optischen Anordnung auftreten. Die Änderung der optischen Verluste der optischen Freiformstruktur beträft bevorzugt höchstens 2 dB, besonders bevorzugt höchstens 0,5 dB, sofern typische Schwankungen der Umgebungsbedingungen, insbesondere eine Temperaturänderung von ± 80 K, auftreten. Bei einem photonischen Wirebond oder einer gedruckten 3D-Mikrolinse betragen die durch eine lokale Relativbewegung der Schutzstruktur auftretende Änderung der optischen Freiformstruktur in Bezug auf eine Lage der Koppelstellen an den optischen Bauteilen bevorzugt höchstens 20 µm, besonders bevorzugt höchstens 6 µm, insbesondere höchstens 2 µm, wobei die Änderung der optischen Verluste typischerweise geringer sind, je kleiner die Bewegung der Schutzstruktur und damit des photonischen Wirebond sind.
Die vorliegende optische Anordnung ermöglicht es zudem, dass die optischen Eigenschaften der optischen Verbindung konstant gehalten werden können und die Mantelstruktur im Bereich der optischen Kopplung von mindestens zwei optischen Bauteilen lokalisiert verbleiben kann und weder zerfließen noch sich über einen längeren Zeitraum bewegen und damit andere optischer Bauteile, die sich in der Nähe der optischen Koppelstelle befinden, kontaminieren würde. Weiterhin weisen Änderungen von Umgebungsbedingungen keinen oder höchstens einen vernachlässigbaren Einfluss auf die optischen Eigenschaften der optischen Bauteile auf, wodurch eine gewünschte Langzeitstabilität der optischen Anordnung gewährleistet bleibt.
Hierin werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden hierin die Begriffe „bevorzugt“, „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigen:

1 bis 3 jeweils eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung; und
4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10, die typischerweise ein erstes optisches Bauteil 30 und ein zweites optisches Bauteil 31 umfasst. Die optischen Bauteile 30, 31 können vorzugsweise ausgewählt sein aus einem silizium-photonischen Chip, insbesondere einem Silicon-on-Insulator (SOI-Chip), einem Laser aus Indium-Phosphid (InP), einem photonischen Chip auf Basis von Siliziumnitrid oder Lithiumniobat, oder einer Einmodenfaser. Wie weiterhin aus 1 hervorgeht, sind die optischen Bauteile 30, 31 auf einem gemeinsamen Bauteilträger 20 angebracht, wobei der Bauteilträger 20 vorzugsweise Aluminiumnitrid oder Wolfram-Kupfer umfassen kann; eines Verwendung eines anderen Materials für den Bauteilträger 20 ist jedoch möglich. In einer besonderen Ausführung (nicht dargestellt) kann ein optisches Bauteil gleichzeitig als Träger für das andere optische Bauteil dienen, insbesondere wenn ein Laser aus InP auf einem SOI Chip platziert wird. Jedes der beiden optischen Bauteile 30, 31 weist mindestens eine optische Koppelstelle 40, 41 auf. Die optischen Koppelstellen 40, 41 der beiden optischen Bauteile 30, 31 sind hierbei derart zueinander angeordnet sind, dass sie mittels einer optischen Freiformstruktur 50 verbindbar sind.
Die optische Anordnung 10 umfasst weiterhin die eine optische Freiformstruktur 50, welche die von den beiden optischen Bauteilen 30, 31 jeweils umfassten optischen Koppelstellen 40, 41 miteinander verbindet. Die in 1 schematisch dargestellte Freiformstruktur 50 umfasst ein Material 60, insbesondere ein Polymer, das mittels 3D Lithographie, im speziellen mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, hergestellt wird. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass die Freiformstruktur 50 in einem direkten mechanischen Kontakt mit den optischen Koppelstellen 40, 41 steht, es genügt vielmehr, wenn Licht aus den optischen Koppelstellen 40, 41 mit der Freiformstruktur 50 in Wechselwirkung treten kann. Die Freiformstruktur 50 kann, wie 1 zeigt, vorzugsweise als photonischer Wirebond ausgeführt sein. In einer alternativen Ausführung gemäß 2 kann die Freiformstruktur 50 als Mikrolinse ausgeführt sein, welche eine optische Kopplung ermöglicht.
Insbesondere um einen angepassten Brechungsindexkontrast zu erreichen, ist die Freiformstruktur 50 erfindungsgemäß zumindest bereichsweise von einer Mantelstruktur 70 umgeben, wobei die Mantelstruktur 70 mindestens ein viskoelastisches Mantelmaterial 80 umfasst. Der Brechungsindexkontrast zwischen der Freiformstruktur 50 und der Mantelstruktur 70 kann bevorzugt einen Wert von 0,01 bis 1,0, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,2, annehmen. Beispielsweise kann ein photonischer Wirebond als die Freiformstruktur 50 einen Brechungsindex von 1,5 aufweisen, während das Mantelmaterial 80 einen Brechungsindex von 1,4 annimmt. Das Mantelmaterial 80 kann bevorzugt im Wesentlichen transparent für Licht mit einer Wellenlänge von 190 nm bis 10,7 µm,besonders bevorzugt von 400 nm bis 2,5 µm, insbesondere von 530 nm bis und 1,8 µm, sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Mantelmaterial 80 flüssig ausgeführt sein und hierbei eine Viskosität bevorzugt von 1 cm²/s bis 1 000 000 cm²/s, besonders bevorzugt von 100 cm²/s bis 100 000 cm²/s, insbesondere von 1000 cm²/s und 50 000 cm²/s, aufweisen. Das viskoelastische Mantelmaterial kann bevorzugt ein sog. Indexöl sein, beispielsweise „Cargille Series A“, Flüssigkeiten basierend auf Monomer-Mischungen, Siloxanbasierten Flüssigkeiten, oder Ölen basierend auf Kohlenwasserstoffen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Mantelmaterial 80 nicht flüssig, sondern ein viskoelastisches Material, wobei ein Wert für das Schubmodul des Mantelmaterials 80 so gewählt ist, dass bei einer lokalen Relativbewegung zwischen der Mantelstruktur 70 und der an der mindestens einen Koppelstelle 40, 41 angebrachte Freiformstruktur 50 durch wechselnde Umgebungsbedingungen, insbesondere Temperaturänderungen, Vibrationen oder auch beim Aushärten von aufgebrachten Materialien, die Schubspannung des die Freiformstruktur 50 umgebenden viskoelastischen Materials so gering ist, dass keine signifikante Verformung oder Verschieben der Freiformstruktur 50 auftritt. Gleichzeitig kann das Speichermodul des Mantelmaterials 80 so gewählt sein, dass es formstabil ist, d.h. es zerfließt nicht unter Einfluss von Gravitation und/oder typischen Umgebungsbedingungen, insbesondere Temperaturen von -40 °C bis +85 °C und/oder sowie Vibration oder Shock-Tests bis 500 g.
Hierzu kann das Mantelmaterial 80 als gelförmiges Material, bevorzugt auf Basis mindestens eines Epoxids, Acrylats oder Siloxans oder einer Mischung hiervon, ausgeführt sein. Das viskoelastische Material kann flüssig aufgebracht werden und vernetzbar sein mittels UV-Belichtung, thermischer Beaufschlagung, bei Raumtemperatur durch Feuchte, oder mittels einer Zwei-Komponentenreaktion. Bevorzugt kann das Speichermodul des vernetzten Mantelmaterials 80 von 0,1 kPa bis 50 kPa, besonders bevorzugt von 1 kPa bis 20 kPa, insbesondere von 2 kPa und 10 kPa, betragen, während das Verlustmodul bevorzugt einen Wert von 0,01 kPa bis 20 kPa, besonders bevorzugt von 0,05 kPa bis 5 kPa, insbesondere von 0,1 kPa bis 2 kPa annehmen kann. Dadurch kann die Freiformstruktur, die bevorzugt als photonischer Wirebond oder als optische Linse ausgeführt sein kann, eine Härte von Shore D 50 bis 80 oder darüber und ein Schubmodul > 50 MPa aufweisen sich bei thermischen Ausdehnungen nicht signifikant verformen.
Ein Schubmodul des Mantelmaterials 80 kann hierbei bevorzugt so gewählt werden, dass bei einer lokalen Relativbewegung zwischen der Mantelstruktur 70 und der Freiformstruktur 50 durch wechselnde Umgebungsbedingungen, bevorzugt bei Temperaturänderungen von -40 °C bis +85 °C, besonders bevorzugt zwischen -60 °C und 125 °C die Schubspannung des Mantelmaterials 80 so gering ist, dass keine signifikante Verformung oder ein Verschieben der Freiformstruktur 50 auftritt. Eine signifikante Verformung oder Verschiebung liegt dann vor, wenn sich die optische Kopplung mittels der Freiformstruktur 50 zwischen den beiden Bauteilen 30, 31 um mindestens 1,5 dB ändert, insbesondere um mindestens 0,5 dB. Wie oben erwähnt, kann davon ausgegangen werden, dass kleinere Verformungen oder Verschiebungen der Freiformstruktur, welche die optischen Kopplungsverluste nicht beeinflussen, bei Rückkehr zu den ursprünglichen Umgebungsbedingungen wieder relaxieren.
Um das viskoelastische Mantelmaterial 80 in Position um die Freiformstruktur 50 zu halten, erfolgt in der Ausführung gemäß 1 eine Einfassung der Mantelstruktur 70 durch den Bauteilträger 20, die beiden optischen Bauteile 30, 31 und eine Begrenzungsstruktur 90. Die Begrenzungsstruktur 90 kann hierzu ein Material 100 umfassen, das bevorzugt aus mindestens einem vernetzbaren Polymer ausgewählt ist. Das Polymer kann vorzugsweise basieren auf einem Epoxid, Acrylat oder Silikon oder einer Kombination hiervon. Die Begrenzungsstruktur 90 kann hierzu insbesondere dazu eingerichtet sein, sowohl eine laterale Begrenzung (Damm), als auch eine Begrenzung auf einer Oberseite (Verkapselung) der optische Anordnung 10 auszubilden. Die Vernetzung des mindestens einen Polymers kann vorzugsweise mittels UV Beleuchtung, thermischer Beaufschlagung, bei Raumtemperatur mittels Feuchte und/oder mittels einer Zwei-Komponenten-Reaktion erfolgen.
Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die Begrenzungsstruktur 90 elastisch ausgeführt ist, so dass eine Volumenänderung der Mantelstruktur 70, beispielsweise durch thermische Ausdehnung, nicht zu einer Druckerhöhung innerhalb des von der Begrenzungsstruktur 90 eingefassten Volumens führen kann, sondern vielmehr die Begrenzungsstruktur 90 selbst verformt werden kann. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, wenn mindestens ein Teil der Begrenzungsstruktur aus einer dünnen Lage, bevorzugt 1 mm oder weniger, besonders bevorzugt 0,5 mm oder weniger, insbesondere 0,1 mm oder weniger, des Begrenzungsmaterials 100 ausgebildet wird, wobei das Begrenzungsmaterial eine Härte bevorzugt von Shore A 80 oder geringer, besonders bevorzugt Shore A 50 oder geringer, aufweisen kann. Bevorzugt kann das Begrenzungsmaterial 100 ein höheres Speichermodul als das Mantelmaterial 80 aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Begrenzungsstruktur 90 in Form eines Deckels, insbesondere aus dünnem Glas oder einer dünnen Deckmembran, vorliegen, wobei der Deckel mit den optischen Bauteilen 30, 31 und, bevorzugt, mindestens einem weiteren Teil der der Begrenzungsstruktur 90 verklebt sein kann. Über Material und Dicke des Deckels kann auch eine Elastizität der Begrenzungsstruktur 90 eingestellt werden. Die Begrenzungsstruktur 90 kann darüber hinaus auch über Klebefugen oder zusätzlich aufgebrachten Strukturen verfügen.
Wie in 1 schematisch dargestellt, kann die optische Anordnung 10 die beiden optischen Bauteile 30, 31 auf dem gemeinsamen Bauteilträger 20 umfassen, wobei die beiden optischen Bauteile 30, 31 mittels der Freiformstruktur 50 optisch miteinander verbunden sind. Wie oben beschrieben, ist die Freiformstruktur 50 hierzu zumindest bereichsweise mittels der Mantelstruktur 70 aus dem viskoelastischen Mantelmaterial 80 umgeben, wobei die Mantelstruktur 70 durch die mindestens eine Begrenzungsstruktur 90 in Position gehalten ist.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform, in welcher die optische Anordnung 10, bei welcher die Mantelstruktur 70 vollständig durch die beiden Bauteile 30, 31, den Bauteilträger 20 und die Begrenzungsstruktur 90 eingefasst ist, zusätzlich über mindestens eine Öffnung (nicht dargestellt) in der Begrenzungsstruktur 90 verfügt. Hierbei kann eine Größe der Öffnung so gewählt sein, dass das viskoelastischen Mantelmaterial 80 bei Volumenänderungen nicht herausfließen kann, sondern durch Oberflächenspannung in dem eingeschlossenen Volumen gehalten ist. Dadurch kann das flüssige Mantelmaterial 80 in Position gehalten sein, während bei Volumenänderungen, insbesondere durch thermische Ausdehnung, gleichzeitig keine Druckänderungen im Inneren der Begrenzungsstruktur 90 auftreten können, welche sich negativ auf die optische Anordnung 10, insbesondere die Freiformstruktur 50, auswirken könnten. Wie oben erwähnt, kann die mindestens eine Öffnung in der Begrenzungsstruktur hierbei laterale Ausdehnungen von bevorzugt 200 µm oder weniger, besonders bevorzugt von 100 µm oder weniger, insbesondere von 50 µm oder weniger, aufweisen.
Während in der Ausführungsform gemäß 1 das typischerweise inkompressible, viskoelastische Mantelmaterial 80 vollständig durch die optischen Bauteile 30, 31, den Bauteilträger 20 und die Begrenzungsstruktur 90 eingefasst ist, umfasst das in der Ausführungsform gemäß 2 innerhalb der Begrenzungsstruktur 90 eingeschlossene Volumen ein kleines Gasvolumen 110, das insbesondere Stickstoff oder Luft aufweisen kann. Dadurch kann das viskoelastische Mantelmaterial 80 in Position gehalten sein, während bei Volumenänderungen, insbesondere durch thermische Ausdehnung, gleichzeitig keine signifikante Druckerhöhung auftreten kann, insbesondere da sich etwaige Druckänderungen durch das kompressible Gas ausgleichen lassen. Das eingeschlossene Gasvolumen kann hierbei so platziert sein, dass es in vorteilhafter Weise nicht mit der Freiformstruktur 50 in Kontakt kommen kann. Die Einfassung der Mantelstruktur 70 kann hierbei derart ausgeführt sein, dass das Mantelmaterial 80 bevorzugt auf mindestens 70 %, besonders bevorzugt auf mindestens 80 %, insbesondere auf mindestens 90%, 95% oder 98% seiner Oberfläche in Kontakt mit einem, ein festes Material umfassendes Strukturelement der optischen Anordnung 10 in Kontakt steht.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Hierbei sind umfassen das Mantelmaterial 80 und das Material 100 der Begrenzungsstruktur 90 dasselbe oder ein ähnliches, mittels UV-Belichtung aushärtbares Polymer. Dabei sind das Material 80, 100 und die auf das Material 80, 100 einwirkende UV-Belichtung derart gewählt, dass bei der UV-Belichtung nur ein, auch als „Schale“ bezeichneter, äußerer Bereich des Materials 80, 100 aushärtet, während ein, auch als „Kern“ bezeichneter, innerer Bereich des Mantelmaterials 80 flüssig bleibt. Alternativ kann der äußere Bereich des Materials 80, 100 eine höhere Viskoelastizität im Vergleich zu dem inneren Bereich des Mantelmaterials 80 aufweisen. Auf diese Weise kann sich eine härtere Schale ausbilden, die einen flüssigen Anteil des Mantelmaterial 80 im Kern, somit insbesondere in dem Bereich um die Freiformstruktur 50, in Position halten kann. Diese Ausführungsform kann insbesondere dadurch erhalten werden, dass ein stark absorbierender Photoinitiator in dem Material 80, 100 genutzt wird, um das UV-Licht zur Aushärtung bevorzugt innerhalb eines, von außen bestimmten Abstands von höchstens 100 µm,besonders bevorzugt von höchstens 50 µm,zu absorbieren, wodurch bei einem größeren Abstand eine Aushärtung des Polymers um die Freiformstruktur 50 herum ausbleibt und die Freiformstruktur von flüssigem Mantelmaterial 80 umgeben bleibt.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens 200 zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10, die insbesondere in einem der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 3 beschreiben ist.
In einem Bereitstellungsschritt 210 gemäß Verfahrensschritt a) erfolgt ein Bereitstellen des mindestens eines Bauteilträgers 20.
In einem Anbringungsschritt 220 gemäß Verfahrensschritt b) erfolgt ein Anbringen des mindestens eines optischen Bauteils 30, 31, das mindestens eine optische Koppelstelle 40, 41 aufweist, auf dem Bauteilträger 20.
In einem Anschließungsschritt 230 gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt ein Anschließen der mindestens einer optischen Freiformstruktur 50 an die mindestens eine optische Koppelstelle 40, 41. Bevorzugt kann die optische Freiformstruktur 50 mittels eines additiven Nanofabrikationsverfahren, besonders bevorzugt mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, hergestellt werden.
In einem Umgebungsschritt 240 gemäß Verfahrensschritt d) erfolgt ein zumindest bereichsweises Umgeben der optischen Freiformstruktur 50 mit der mindestens einen Mantelstruktur 70, wobei die Mantelstruktur 70 das mindestens eine viskoelastische Mantelmaterial 80 umfasst. Erfindungsgemäß wird das Mantelmaterial 80 derart ausgewählt wird, dass es ein Speichermodul aufweist, das einen Maximalwert von 1000 kPa besitzt. Besonders bevorzugt kann das Speichermodul höchstens um einen Faktor 1000 größer sein als ein Verlustmodul des Mantelmaterials 80. Umfasst das Mantelmaterial 80 hierbei mindestens ein flüssiges, aushärtbares viskoelastisches Material, kann die mindestens eine optische Freiformstruktur 50 zumindest bereichsweise mit dem flüssigen, aushärtbaren viskoelastischen Material umgeben werden, wobei der Umgebungsschritt 240 einen Härtungsschritt, umfassend ein zumindest teilweises Aushärten des flüssigen, aushärtbaren viskoelastischen Materials, aufweisen kann.
In einem Erzeugungsschritt 250 gemäß Verfahrensschritt e) erfolgt ein Erzeugen mindestens einer Begrenzungsstruktur 90 derart, dass die Begrenzungsstruktur 90 und das optische Bauteil 30 eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur 70 ausbilden. In den bevorzugten Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 trägt auch der Bauteilträger 20 ebenfalls zur Einfassung der Mantelstruktur 70 bei. Wie in den 1 und 2 schematisch dargestellt, kann das Erzeugen der Begrenzungsstruktur 90 durch Anbringen der Begrenzungsstruktur 90 auf die die Mantelstruktur 70 erfolgen. Gemäß der Ausführung nach 3 kann das Erzeugen der Begrenzungsstruktur durch Behandlung der Schale der Mantelstruktur 70 erfolgen, während das viskoelastische Mantelmaterial in dem Kern der Mantelstruktur 70 verbleibt.
Für weitere Einzelheiten zu den 2 bis 4 wird auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen.
Bezugszeichenliste

10: optische Anordnung
20: Bauteilträger
30, 31: optisches Bauteil
40, 41: optische Koppelstelle
50: Freiformstruktur
60: Material (der Freiformstruktur)
70: Mantelstruktur mindestens ein
80: (viskoelastisches) Mantelmaterial
90: Begrenzungsstruktur
100: Material der (Begrenzungsstruktur)
110: Gasvolumen
200: Verfahren zur Herstellung einer optischen Anordnung
210: Bereitstellungsschritt
220: Anbringungsschritt
230: Anschließungsschritt
240: Umgebungsschritt
250: Aufbringungsschritt

Claims

Optische Anordnung (10), umfassend - mindestens einen Bauteilträger (20); - mindestens ein auf dem Bauteilträger (20) angebrachtes optisches Bauteil (30, 31), wobei das optische Bauteil (30, 31) mindestens eine optische Koppelstelle (40, 41) aufweist; - mindestens eine optische Freiformstruktur (50), die an die optische Koppelstelle (40, 41) angeschlossen ist; - mindestens eine Mantelstruktur (70), welche die optische Freiformstruktur (50) zumindest bereichsweise umgibt, wobei die Mantelstruktur (70) mindestens ein viskoelastisches Mantelmaterial (80) umfasst; - mindestens eine Begrenzungsstruktur (90), wobei die Begrenzungsstruktur (90) und das mindestens eine optische Bauteil (30, 31) eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur (70) ausbilden, wobei das Mantelmaterial (80) ein Speichermodul aufweist, das einen Maximalwert von 1000 kPa besitzt.
Optische Anordnung (10) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Speichermodul höchstens um einen Faktor 1000 größer ist als ein Verlustmodul des Mantelmaterials (80).
Optische Anordnung (10) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Speichermodul höchstens um einen Faktor 100 größer ist als das Verlustmodul des Mantelmaterials (80), und wobei das Speichermodul einen Maximalwert von 100 kPa besitzt.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Wert für das Speichermodul derart festgelegt ist, dass innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der optischen Anordnung (10) festgelegt sind, das Mantelmaterial (80) seine räumliche Lage und Form im Wesentlichen beibehält und zumindest die Freiformstruktur (50) weiterhin zumindest bereichsweise umgibt.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - das Speichermodul einen Wert von 0,1 kPa bis 60 kPa, bevorzugt von 1 kPa bis 30 kPa, besonders bevorzugt von 2 kPa und 15 kPa, aufweist; und - das Verlustmodul einen Wert von 0.01 kPa bis 30 kPa, bevorzugt von 0.05 kPa und 10 kPa, besonders bevorzugt von 0.1 kPa und 5 kPa, aufweist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für ein Schubmodul des Mantelmaterials (80) ein Wert derart festgelegt ist, dass bei einer lokalen Relativbewegung zwischen der Mantelstruktur (70) und der Freiformstruktur (50) innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung (10) festgelegt sind, eine Schubspannung des die Freiformstruktur (50) umgebenden Mantelmaterials (80) so gering ist, dass die Freiformstruktur (50) ihre räumliche Lage und Form im Wesentlichen beibehält.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mantelmaterial (80) mindestens ein flüssiges, lokal härtbares Polymer, aufweist und ein gehärtete Mantelmaterial (80) mindestens einen Teil der Begrenzungsstruktur (90) ausbildet.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bereich um die Freiformstruktur (50), der mindestens einem doppelten Wert des Durchmessers der Freiformstruktur (50) entspricht, der bevorzugt mindestens einen Wert von 4 µm annimmt, mindestens ein flüssiges viskoelastisches Material aufweist.
Optische Anordnung (10) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das flüssige viskoelastische Material eine Viskosität von 1 cm²/s bis 1 000 000 cm²/s aufweist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Begrenzungsstruktur (90) derart eingerichtet ist, dass bei einer Veränderung eines Volumens der Mantelstruktur (70) ein Druck im Inneren der Mantelstruktur (70) im Wesentlichen konstant bleibt.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Begrenzungsstruktur (90) zumindest teilweise das Mantelmaterial (80) umfasst.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Begrenzungsstruktur (90) ein elastisches Material umfasst.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur (70) ein abgeschlossenes Volumen (110) umfasst, das nicht vollständig vom dem Mantelmaterial (80) ausgefüllt ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mantelmaterial (80) und ein von der Freiformstruktur (50) umfasstes Material (60) optisch transparent sind, wobei das Mantelmaterial (80) einen geringeren Brechungsindex als das der Freiformstruktur (50) umfasste Material (60) aufweist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend - mindestens eine Öffnung in der zumindest teilweisen Einfassung für die Mantelstruktur (70), wobei die Öffnung zu einem Druckausgleich eingerichtet ist.
Verfahren (200) zur Herstellung einer optischen Anordnung (10), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten: a) Bereitstellen mindestens eines Bauteilträgers (20); b) Anbringen mindestens eines optischen Bauteils (30, 31), das mindestens eine optische Koppelstelle (40, 41) aufweist, auf dem Bauteilträger (20); c) Anschließen mindestens einer optischen Freiformstruktur (50) an die mindestens eine optische Koppelstelle (40, 41); d) Zumindest bereichsweises Umgeben der optischen Freiformstruktur (50) mit mindestens einer Mantelstruktur (70), wobei die Mantelstruktur (70) mindestens ein viskoelastisches Mantelmaterial (80) umfasst; e) Erzeugen mindestens einer Begrenzungsstruktur (90) derart, dass die Begrenzungsstruktur (90) und das optische Bauteil (30) eine zumindest teilweise Einfassung für die Mantelstruktur (70) ausbilden, wobei das Mantelmaterial (80) derart ausgewählt wird, dass es ein Speichermodul aufweist, das einen Maximalwert von 1000 kPa besitzt.
Verfahren (200) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Mantelmaterial (80) derart ausgewählt wird, dass das Speichermodul höchstens um einen Faktor 1000 größer ist als ein Verlustmodul des Mantelmaterials (80).
Verfahren (310) nach einem vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei die optische Freiformstruktur (50) mittels eines additiven Nanofabrikationsverfahren, besonders bevorzugt mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, hergestellt wird.
Verfahren (200) nach einem vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei für das Mantelmaterial (80) mindestens ein flüssiges, viskoelastisches Material ausgewählt wird, wobei die mindestens eine optische Freiformstruktur (50) zumindest bereichsweise mit dem flüssigen, viskoelastischen Material (80) umgeben wird, und wobei das flüssige viskoelastische Material eine Viskosität von 1 cm²/s bis 1 000 000 cm²/s aufweist.
Verfahren (200) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das flüssige, aushärtbare viskoelastischen Material in einem Härtungsschritt zumindest teilweise, vorzugsweise ortsselektiv, ausgehärtet wird.