DE102024200791B3

DE102024200791B3 - Optische Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102024200791B3
Application number: DE102024200791.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Lauermann; Sebastian Skacel; Zewang You; Steffen Schlör; Muhammad Rodlin Billah; Philipp-Immanuel Dietrich; Noemie Estopinan
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: WO2025162935A1

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), wobei der Bauteilträger (20) eine Referenzebene (100) aufweist;
- mindestens zwei auf dem Bauteilträger (20) angebrachte optische Bauteile (30, 40), wobei jedes optische Bauteil (30, 40) mindestens eine optische Koppelstelle (50, 55) aufweist, wobei für jedes optische Bauteil (30, 40) jeweils eine dieses auf der dem Bauteilträger (20) zugewandten Seite berührende und zur Referenzebene (100) parallele Montageebene (110, 120) festgelegt ist;
- mindestens eine optische Freiformstruktur (200), die an mindestens eine der optischen Koppelstellen (50, 55) angeschlossen ist, wobei durch die optische Freiformstruktur (200) und die für jedes optische Bauteil (30, 40) festgelegten Montagebenen (110, 120) ein Raumbereich (150) festgelegt ist;
- mindestens eine die optische Freiformstruktur (200) zumindest bereichsweise umgebende Schutzstruktur (250), umfassend mindestens ein Schutzmaterial (251);
- mindestens eine Füllstruktur (210), umfassend mindestens ein Füllmaterial (211), wobei die Füllstruktur (210) den Raumbereich (150) zumindest teilweise ausfüllt, und wobei das Füllmaterial (211) innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung (10) festgelegt sind, eine geringere relative Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial (251).

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 darunter liegendes 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 muss eine photonischer Wirebond derart dimensioniert sein, dass er einmodig ist. Für gängige Abmessungen erfordert dies eine Ummantelung („Cladding“) des photonischer Wirebonds mit einer Schutzstruktur aus einem ausgewählten Schutzmaterial, welches einen gewünschten optischen Brechungsindex bereitstellt. Darüber hinaus sollte die Schutzstruktur 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 Schutzstruktur. Unter wechselnden Umgebungsbedingungen können die verschiedenen Materialien ihre Eigenschaften, beispielsweise ihre thermische Ausdehnung, unterschiedlich verändern.
Zur Herstellung einer optischen Anordnung wird typischerweise mindestens ein optisches Bauteil auf einem Bauteilträger befestigt. Das optische Bauteil ist hierbei üblicherweise ein diskretes Bauteil auf einem eigenen Substrat. Zwei auf demselben Substrat integrierte optische Elemente mit jeweils eigenen Koppelstellen zählen hierbei als ein Bauteil. Das Bauteil enthält mindestens eine optische Koppelstelle, an welcher beispielsweise eine optische Freiformstruktur, insbesondere ein photonischer Wirebond, angeschlossen wird und zumindest teilweise von einer Schutzstruktur umschlossen ist. Dabei muss die angeschlossene Freiformstruktur nicht notwendigerweise in mechanischem Kontakt mit der Koppelstelle stehen; entscheidend ist, dass sie in fester mechanischer Beziehung mit der Koppelstelle steht und aus der optischen Koppelstelle emittiertes Licht mit der Freiformstruktur in Wechselwirkung treten kann.
Gemäß dem Stand der Technik werden Bauteile, die beispielsweise mit einem photonischen Wirebond verbunden werden sollen, nebeneinander auf einem Bauteilträger befestigt werden, wobei typischerweise eine Höhe der Bauteile über den Bauteilträger aufeinander angepasst wird. LINDENMANN, Nicole [u.a.]: Connecting silicon photonic circuits to multicore fibers by photonic wire bonding. In: Journal of Lightwave Technology, Bd. 33, 2015, H. 4, S. 755-760. - ISSN 1558-2213 (E); 0733-8724 (P). DOI: 10.1109/JLT.2014.2373051 beschreiben eine optische Anordnung, umfassend zwei optische Bauteilen, eine Glasfaser und einen Siliziumphotonischen Chip, welche die auf einem gemeinsamen Bauteilträger befestigt sind. Der Bauteilträger ist hierbei so ausgeführt, dass eine Stufe vorhanden ist, um die Koppelstellen der optischen Bauteile ungefähr auf dieselbe Höhe zu bringen. Zwischen den optischen Bauteilen ist ein photonischer Wirebond, der die Koppelstellen miteinander verbindet, mit einer Schutzstruktur umgeben. Diese optische Anordnung hat die oben beschriebenen Nachteile, dass die Schutzstruktur den Raum unterhalb des photonischen Wirebonds bis mindestens zur Montageebene eines optischen Bauelements ausfüllt, so dass das minimale Volumen durch mindestens eine Bauteilhöhe vorgegeben ist. Dadurch wird sich bei Temperaturänderungen das gesamte Volumen der Schutzstruktur unterhalb des photonischen Wirebonds ausdehnen oder schrumpfen und eine Kraft auf den photonischen Wirebond ausüben, was nachteilig für die optischen Eigenschaften und die Langzeitstabilität des photonischen Wirebonds ist.
BLAICHER, Matthias [u.a.]: Hybrid multi-chip assembly of optical communication engines by in situ 3D nano-lithography. In: Light: Science & Applications, Bd. 9, 2020, Artikelnummer: 71. - ISSN 2047-7538 (E). DOI: 10.1038/s41377-020-0272-5 stellen werden verschiedene Konzepte vor, optische Bauteile mittels photonischen Wirebonds zu verbinden. Diesen ist gemein, dass ein Spalt zwischen den optischen Bauteilen mindestens größer 100 µm tief ist und mindestens bis zur Montageebene eines der Bauteile reicht. Dadurch kann sich bei Veränderungen der Umgebungsbedingungen die als Ummantelung der photonischen Wirebonds vorliegende Schutzstruktur signifikant ausdehnen und den photonischen Wirebonds verformen, was nachteilig für dessen optische Eigenschaften und Langzeitstabilität ist.
DARCIE, Adam [u.a.]: SiEPICfab: the Canadian silicon photonics rapid-prototyping foundry for integrated optics and quantum computing. In: Proceedings of SPIE- Silicon Photonics XVI, SPIE OPTO, 6-12 March 2021, online only, California, United States, Bd. 11691, 2021, S. 1-20. - ISSN 1996-756X (E) ; 0277-786X (P). DOI: 10.1117/12.2583432 zeigen neben den Ansätzen der beiden o.g. Veröffentlichungen auch beispielhafte Anordnungen zur Verbindung zweier optischer Bauteile, bei denen ein optisches Bauteil (z.B. Laser oder Glasfaser) auf ein anderes Bauteil (z.B. SiP-Chip) in einer Vertiefung befestigt wird, wodurch sich die Koppelstellen ungefähr auf einer Höhe befinden, und mittels einer Freiformstruktur verbunden werden. Dabei dient ein Bauteil gleichzeitig als Bauteilträger. Auch hier ist der Raumbereich zwischen der Freiformstruktur und der Montageebene vollständig mit der Schutzstruktur ausgefüllt. Weiterhin ist die Tiefe des Spaltes durch die Dicke des Bauteils vorgegeben und kann nicht unabhängig davon gewählt werden. Ein weiterer Nachteil dieses Ansatzes ist, dass der Laser seine Wärme direkt an den SiP-Chip abgibt, was zu einer unerwünschten Erwärmung des SiP-Chips führen kann. Eine unabhängige Wärmeabfuhr lässt sich mit dieser Art des Aufbaus der optischen Anordnung jedoch nicht implementieren.
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 umfassend 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.
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 ± 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. 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 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 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, sein.
Für eine möglichst allgemeine industrietaugliche Lösung wäre es zudem wünschenswert, wenn keine gesonderten Bearbeitungsschritte am optischen Bauteil erforderlich sind, sondern stattdessen standardisierte, kommerziell erhältliche optische Bauteile verwendet werden können. Wünschenswert wäre es insbesondere, wenn eine Dicke der Schutzstruktur unter der optischen Freiformstruktur unabhängig von Abmessungen der verwendeten optischen Bauteile ist und insbesondere nicht durch einen Abstand der jeweiligen Koppelstelle von der Unterseite des zugehörigen optischen Bauteils vorgegeben ist. 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, wobei der Bauteilträger eine Referenzebene aufweist;
- mindestens zwei auf dem Bauteilträger angebrachte optische Bauteile, wobei jedes optische Bauteil mindestens eine optische Koppelstelle aufweist, wobei für jedes optische Bauteil jeweils eine dieses auf der dem Bauteilträger zugewandten Seite berührende und zur Referenzebene parallele Montageebene festgelegt ist;
- mindestens eine optische Freiformstruktur, die an mindestens eine der optischen Koppelstellen angeschlossen ist, wobei durch die optische Freiformstruktur und die für jedes optische Bauteil festgelegten Montageebene ein Raumbereich festgelegt ist;
- mindestens eine die optische Freiformstruktur zumindest bereichsweise umgebende Schutzstruktur, umfassend mindestens ein Schutzmaterial;
- mindestens eine Füllstruktur, umfassend mindestens ein Füllmaterial, wobei die Füllstruktur den Raumbereich zumindest teilweise ausfüllt, und wobei das Füllmaterial innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung festgelegt sind, eine geringere relative Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial.

Die 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; insbesondere in einer besonderen Ausgestaltung, in der, wie unten näher ausgeführt, die mindestens eine Füllstruktur Teil des Bauteilträgers sein kann.
Der für die optische Anordnung verwendete Bauteilträger weist eine Referenzebene auf. Der Begriff der „Referenzebene“ bezeichnet hierbei eine gedachte Ebene, welche, abgesehen von toleranzbedingten Abweichungen, parallel zu einer optischen Achse des Bauteilträgers und der mindestens zwei, unten näher beschriebenen optischen Koppelstellen innerhalb der optischen Anordnung angeordnet ist. Besonders bevorzugt kann hierbei eine Lage der Referenzebene in Richtung ihrer Oberflächennormalen derart gewählt sein, dass eine Querschnittsfigur der Referenzebene mit dem Bauteilträger eine maximale Fläche annimmt. Die Wahl einer anderen Referenzebene für den Bauteilträger ist jedoch denkbar.
Die optische Anordnung umfasst weiterhin mindestens zwei auf dem Bauteilträger angebrachte optische Bauteile. 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.
Jedes 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.
Für jedes optische Bauteil in der vorliegenden optischen Anordnung ist für jedes optische Bauteil jeweils eine Montageebene festgelegt, die, abgesehen von toleranzbedingten Abweichungen, parallel zur Referenzebene angeordnet ist und das optische Bauteil auf der dem Bauteilträger zugewandten Seite berührt. Der Begriff der „Montageebene“ bezeichnet hierbei eine gedachte Fläche auf dem Bauteilträger, auf welcher eine Montage des entsprechenden optischen Elements erfolgt. Hierbei kann die Montage des optischen Elements auf dem Bauteilträger derart erfolgen, dass ein direkter Kontakt des optischen Elements auf dem Bauteilträger auftritt. Alternativ die Montage des optischen Elements auf dem Bauteilträger derart erfolgen, insbesondere mittels eines Klebevorgangs oder eines Lötvorgangs, dass ein Abstand zwischen dem optischen Element und dem Bauteilträger verbleibt, der vorteilhaft für eine Positionierung des optischen Elements auf dem Bauteilträger sein kann. Der Abstand zwischen dem optischen Element und dem Bauteilträger kann vorzugsweise mittels eines Klebespalts oder eines Spacers eingestellt werden. Für Einzelheiten in Bezug auf die Referenzebene und die Montageebenen wird auf die untenstehende Beschreibung zusammen mit den Figuren verwiesen.
Die 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 jedoch 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 direkten mechanischen 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.
Erfindungsgemäß ist einerseits durch die optische Freiformstruktur und andererseits durch die für jedes optische Bauteil festgelegte Montageebene ein Raumbereich festgelegt. Der Begriff des „Raumbereichs“ bezeichnet hierbei ein Volumen, das durch mindestens zwei Begrenzungsflächen festgelegt ist. Für den Fall, dass für ein optisches Bauteil mehr als eine Montageebene festlegbar ist, wird vorzugsweise die für das betreffende optische Bauteil festgelegte Montageebene mit einem geringsten Abstand zur Freiformstruktur verwendet. Der Begriff des „geringsten Abstands“ bezeichnet hierbei eine Verbindungsstrecke zwischen zwei Punkten, die die kürzer ist als jede andere Verbindungsstrecke zwischen den beiden Punkten. In dieser bevorzugten Ausgestaltung verlaufen alle Verbindungsstrecken zwischen beliebigen Punkten auf der optischen Freiformstruktur und einem jeweils nächstgelegenen Punkt auf dem Bauteilträger durch den festgelegten Raumbereich.
Die optische Anordnung umfasst weiterhin mindestens eine Schutzstruktur, welche die optische Freiformstruktur zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, umgibt. Der Begriff der „Schutzstruktur“ bezeichnet hierbei ein Volumen, das von einem Schutzmaterial 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 Schutzstruktur auch für weitere Zwecke verwendet werden. Insbesondere im Falle, dass die optische Freiformstruktur einen photonischen Wirebond umfasst, kann das Schutzmaterial 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 Schutzstruktur ausbilden kann. Weitere Möglichkeiten sind denkbar.
Das von der Schutzstruktur umfasste Schutzmaterial 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, oder Polymere die polysiloxan-basierte Komponenten aufweisen können; eine Verwendung anderer Substanzen ist jedoch möglich. Das Schutzmaterial kann vorzugsweise 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 Schutzmaterial kann bevorzugt von 0,02 bis 1, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,5, insbesondere von 0,1 bis 0,3, betragen. Das Schutzmaterial kann bevorzugt so gewählt werden, dass es eine möglichst geringe Absorption bei einer Betriebswellenlänge der optischen Freiformstruktur hat. 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.
Das oben aufgeführte Problem der vorliegenden Erfindung wird insbesondere durch mindestens eine Füllstruktur gelöst, die weiterhin von der optischen Anordnung umfasst wird. Die mindestens eine Füllstruktur füllt den Raumbereich, der einerseits durch die optische Freiformstruktur und andererseits durch die für jedes optische Bauteil festgelegte Montageebene festgelegt ist, zumindest teilweise aus. Dabei ist vor allem der Raumbereich, der alle Verbindungsstrecken zwischen beliebigen Punkten der optischen Freiformstruktur und dem jeweils nächstgelegenen Punkt auf der jeweiligen Montageebene umfasst, besonders bevorzugt. Der Begriff des „zumindest teilweisen Ausfüllens“ bezeichnet hierbei ein Vorhandensein einer Füllstruktur in einem Volumen, wobei die Füllstruktur ganz oder teilweise in dem Volumen vorhanden ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann der Raumbereich bis zu einer Höhe von weniger als 200 µm, besonders bevorzugt von weniger als 100 µm, unterhalb der optischen Koppelstellen mit dem Füllmaterial aufgefüllt sein.
Durch den Einsatz der hierin vorgeschlagenen Füllstruktur lässt sich insbesondere ein Einfluss der relativen Änderung von mechanischen Abmessungen der Schutzstruktur auf weitere mechanische Eigenschaften und/oder optische Eigenschaften der optischen Freiformstruktur verringern. Der Begriff „relativ“ berücksichtigt hierbei, dass eine Änderung von mechanischen Abmessungen einer Struktur auch von den Eigenschaften des Materials der Struktur abhängt. Er legt somit fest, dass das Füllmaterial eine geringere Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial in senkrechter Richtung zu der Referenzebene oder einer der Montageebenen. Dies entspricht demselben Effekt, wie wenn das Schutzmaterial und das Füllmaterial zusammen durch ein gemeinsames Material ersetzt werden, dessen Änderung der mechanischen Abmessung unter Änderung der Umgebungsbedingung dem Mittelwert zwischen dem Schutzmaterial und dem Füllmaterial entsprechen.
Das von der Füllstruktur umfasste Füllmaterial kann vorzugsweise so gewählt werden, dass es innerhalb der für die Verwendung der optischen Anordnung festgelegten Umgebungsbedingungen eine geringere Variation der relativen mechanischen Abmessungen aufweist als die Schutzstruktur für die optische Freiformstruktur. 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 Schutzstruktur 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 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 besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Füllmaterial einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Schutzmaterials aufweisen. Der Begriff des „niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten“ umfasst hierbei einen, der höchstens 100 · 10^-6/K, bevorzugt höchstens 50 · 10^-6/K, besonders bevorzugt höchstens 20 · 10^-6/K, insbesondere höchstens 10 · 10^-6/K, beträgt. Vorzugsweise weist eine Kombination aus dem Füllmaterial und dem Schutzmaterial einen gemittelten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der mindestens einen Faktor 2 unterhalb des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Schutzmaterials alleine liegt. In einer besonderen Ausgestaltung kann sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Füllmaterials von dem thermischen Ausdehnungskoeffizient eines Materials jedes optischen Bauteils und/oder des Bauteilträgers höchstens um 80 %, bevorzugt höchstens um 40 %, besonders bevorzugt höchstens um 20 %, unterscheiden.
Für das Material der Füllstruktur eignen sich bevorzugt Materialen, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Hierzu gehören insbesondere Wolfram-Kupfer oder Invar36, Silizium, Keramiken, Gläser, UV-härtende Polymere oder Zwei-Komponenten-Klebstoffe; eine Verwendung mindestens eines anderen Füllmaterials ist jedoch möglich.
In einer besonders Ausgestaltung kann das Schutzmaterial ein optisch transparentes Material sein. In dieser Ausgestaltung kann der optische Brechungsindex des Füllmaterials vorzugsweise innerhalb einer Differenz von 0,25 dem optischen Brechungsindex des Schutzmaterials entsprechen.
Die Füllstruktur kann bevorzugt eine eigenständige Füllstruktur darstellen; in einer besonderen Ausgestaltung kann sie Teil eines der optischen Bauteile oder des Bauteilträger sein. Vorzugsweise kann die Füllstruktur daher ein zusätzlich in die Anordnung eingebrachtes Material sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Füllstruktur ein in den Raumbereich eingebrachtes Füllelement aus einem festen Füllmaterial umfassen. Alternativ kann die Füllstruktur ein in dem Raumbereich ausgehärtetes Material umfassen. In einer besonders bevorzugten alternativen Ausgestaltung kann die Füllstruktur fest oder lösbar mit dem Bauteilträger verbunden sein oder Teil des Bauteilträgers sein, wobei der Bauteilträger und die Füllstruktur bevorzugt dasselbe Material, d.h. das Füllmaterial, aufweisen können. In einer besonders bevorzugten alternativen Ausgestaltung kann die Füllstruktur fest oder lösbar mit mindestens einem der optischen Bauteile verbunden sein oder Teil mindestens eines der optischen Bauteile sein. In einer besonderen Ausgestaltung kann die Füllstruktur als mechanischer Anschlag für eine Positionierung des optischen Bauteils dienen.
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, wobei der Bauteilträger eine Referenzebene aufweist;
b) Anbringen von mindestens zwei optischen Bauteilen, die jeweils mindestens eine optische Koppelstelle aufweisen, auf dem Bauteilträger, wodurch für jedes optische Bauteil jeweils eine dieses auf der dem Bauteilträger zugewandten Seite berührende und zur Referenzebene parallele Montageebene festgelegt wird;
c) Anschließen mindestens einer optischen Freiformstruktur an mindestens eine der optischen Koppelstellen, wobei die mindestens eine optische Freiformstruktur zumindest bereichsweise von mindestens einer Schutzstruktur, umfassend mindestens ein Schutzmaterial, umgeben wird, wobei durch die optische Freiformstruktur und die für jedes optische Bauteil festgelegte Montagebene ein Raumbereich festgelegt wird;
d) Zumindest teilweises Ausfüllen des Raumbereichs mittels mindestens einer Füllstruktur aus mindestens einem Füllmaterial, wobei das Füllmaterial innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung festgelegt werden, eine geringere relative Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann Verfahrensschritt d) direkt nach Verfahrensschritt a), direkt nach Verfahrensschritt b) oder gleichzeitig mit Verfahrensschritt b) durchgeführt werden; eine andere Reihenfolge der Verfahrensschritte ist jedoch möglich.
Gemäß Verfahrensschritt a) erfolgt ein Bereitstellen mindestens eines Bauteilträgers, insbesondere mindestens eines der oben oder unten näher beschriebenen Bauteilträgers. Wie oben bereits beschrieben, weist der Bauteilträger eine Referenzebene auf.
Gemäß Verfahrensschritt b) erfolgt ein Anbringen von mindestens zwei optischen Bauteilen, die, wie oben oder unten näher beschrieben, jeweils mindestens eine optische Koppelstelle aufweisen, auf dem Bauteilträger. Hierdurch wird für jedes optische Bauteil jeweils eine Montageebene festgelegt, die parallel zur Referenzebene angeordnet ist und das optische Bauteil auf der dem Bauteilträger zugewandten Seite berührt.
Gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt, wie oben oder unten näher beschrieben, ein Anschließen mindestens einer optischen Freiformstruktur an mindestens eine der optischen Koppelstellen, wobei durch die optische Freiformstruktur, dem Bauteilträger und dem optischen Bauteil ein Raumbereich festgelegt. Hierbei wird einerseits durch die optische Freiformstruktur und andererseits die für jedes optische Bauteil festgelegte Montagebene ein Raumbereich festgelegt wird. 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 teilweises Ausfüllen, bevorzugt das nicht vollständige Ausfüllen, des Raumbereichs mittels mindestens einer Füllstruktur aus mindestens einem Füllmaterial. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann zu dem zumindest teilweisen Ausfüllen des Raumbereichs

- eine eigenständige Füllstruktur, insbesondere ein festes Füllelement, in den Raumbereich eingebracht werden;
- eine Vorläuferstruktur eines Füllelements in den Raumbereich eingebracht und zu dem Füllelement verarbeitet werden, insbesondere durch eine Anwendung von Wärme auf die Vorläuferstruktur;
- ein optisches Bauteil, das bereits ein Füllelement umfasst oder an das ein Füllelement angebracht ist, derart den auf dem Bauteilträger aufgebracht werden, dass hierdurch das Füllelement in den späteren Raumbereich gelangt;
- mindestens ein Bauteilträger, welcher bereits ein Füllelement umfasst oder an den ein Füllelement angebracht ist, bereitgestellt werden und die optischen Elemente derart den auf dem Bauteilträger aufgebracht werden, dass hierdurch das Füllelement in den späteren Raumbereich gelangt.

Erfindungsgemäß wird hierfür ein Füllmaterial verwendet, das innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung festgelegt werden, eine geringere relative Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 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 ist insbesondere dadurch industrietauglich, da keine gesonderten Bearbeitungsschritte am optischen Bauteil erforderlich sind, sondern stattdessen standardisierte, kommerziell erhältliche optische Bauteile verwendet werden können. Hierbei ist eine Dicke der Schutzstruktur unter der optischen Freiformstruktur unabhängig von Abmessungen der verwendeten optischen Bauteile, während die optische Freiformstruktur insbesondere nicht durch einen Abstand der jeweiligen Koppelstelle von der Unterseite des zugehörigen optischen Bauteils vorgegeben ist. 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, das 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 4 jeweils eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung; und
5 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 ein erstes optisches Bauteil 30 und ein zweites optisches Bauteil 40 umfasst, welche bevorzugt als ebene Lichtwellenschaltungen (engl. planar lightwave circuits, PLC), als Laser, aufgebaut auf einer Unterlage (engl. submount), als Photodetektor oder als Glasfasern, ausgeführt sein können. Die optischen Bauteile 30, 40 - 17 - umfassen ein optisches Material 31, 41, das vorzugsweise ausgewählt sein kann aus Silizium, Siliziumnitrid, Glas, einem Polymer oder Indiumphosphid; die Verwendung eines anderen optischen Materials ist jedoch möglich. Jedes der beiden optischen Bauteile 30, 40 weist mindestens eine optische Koppelstelle 50, 55 auf. Die optischen Koppelstellen 50, 55 der beiden optischen Bauteile 30, 40 sind hierbei derart zueinander angeordnet, dass sie mittels einer optischen Freiformstruktur 200 verbindbar sind.
Die in 1 schematisch dargestellte optische Anordnung 10 umfasst weiterhin einen gemeinsamen, vorzugsweise ebenen Bauteilträger 20, auf dem die beiden optische Bauteile 30, 40 derart befestigt sind, dass sie typischerweise einen lateralen Abstand von 50 µm bis 2000 µm, bevorzugt von 100 µm bis 500 µm, zueinander aufweisen. Der Bauteilträger 20 kann vorzugsweise ein Trägermaterial 21, vorzugsweise Metall, Glas oder Keramik, umfassen; die Verwendung eines anderen Trägermaterials ist jedoch möglich.
Die in 1 schematisch dargestellte optische Anordnung 10 umfasst weiterhin die optischen Freiformstruktur 200, welche die von den beiden optischen Bauteilen 30, 40 jeweils umfassten optischen Koppelstellen 50, 55 miteinander verbindet. Die in 1 gezeigte Freiformstruktur 200 stellt eine bevorzugte Ausführung in Form eines photonischen Wirebonds 205 dar.
Wie aus 1 weiterhin hervorgeht, kann durch eine Bauteilhöhe 140, die typischerweise einen Wert d₁₄₀ von 100 µm bis 2 000 µm aufweist, und durch den lateralen Abstand der optischen Bauteile 30, 40 ein Raumbereich 150 festgelegt werden. Der Raumbereich 150 liegt zwischen einer, dem jeweiligen optischen Bauteil 30, 40 zugehörigen Montageebene 110, 120 und der Freiformstruktur 200. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Raumbereich 150 zumindest teilweise mit einer Füllstruktur 210 ausgefüllt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführung kann der Raumbereich 150 ausgehend von einer Oberkante des Bauteilträgers 20 bis zu einer Höhe von weniger als 200 µm, besonders bevorzugt von weniger als 100 µm, unterhalb der optischen Koppelstellen 50, 55 mit einem Füllmaterial 211 aufgefüllt sein. Vorzugsweise wird die jedes optische Bauteil 30, 40 festgelegte Montageebene 110, 120 mit einem geringsten Abstand mit einem Wert d₁₆₀ bzw. d₁₆₅ zur Freiformstruktur 200 festgelegt. Hierdurch verlaufen alle Verbindungsstrecken 160, 165 zwischen beliebigen Punkten 160b, 165b auf der optischen Freiformstruktur 200 und einem, jeweils nächstgelegenen Punkt 160a, 165a auf der jeweiligen Montageebene 110, 120 durch den Raumbereich 150 verlaufen.
Eine erfindungsgemäße Einbringung der Füllstruktur 210 in den Raumbereich 150 kann vor oder nach der Herstellung der Freiformstruktur 200 erfolgen; besonders bevorzugt jedoch vor dem Einbringen einer Schutzstruktur 250, die mindestens ein Schutzmaterial 251 umfasst. Vorzugsweise ist der geringste Abstand zwischen der optischen Freiformstruktur 200 und der Füllstruktur 210 geringer ist als das 100-fache Durchmessers der optischen Freiformstruktur 200, der bevorzugt senkrecht zur lokalen Ausbreitungsrichtung des Lichts gemessen wird
Das Füllmaterial 211 kann, vorzugsweise ausgewählt sein aus:

- einem lichthärtenden Material, insbesondere einem UV-härtenden Material;
- einem wärmehärtenden Material;
- einem bei Raumtemperatur mittels Feuchte härtendem Material; oder
- einem 2-Komponente-Material mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entsprechend der oben genannten Definition;

^-6

2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. In dieser Ausführungsform umfasst die Anordnung 10 ebenfalls die beiden optischen Bauteile 30, 40, die, wie oben beschreiben, derart auf dem gemeinsamen Bauteilträger 20 angeordnet sind, dass zwischen den beiden Bauteilen 30, 40 ein lateraler Abstand verbleibt, um die zugehörigen Koppelstellen 50, 55 mittels einer optischer Freiformstruktur 200 zu verbinden. In dieser Ausführungsform sind sowohl die Koppelstellen 50, 55 als auch die Freiformstruktur 200 nur im oberen Bereich der optischen Bauteile 30, 40 angeordnet, so dass der Raumbereich 150 teilweise mit einem Füllelement 212 aus einem festen Füllmaterial 211 mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verfüllt ist. Vorzugsweise erfolgt die Einbringung des Füllelements 212 vor der Herstellung der optischer Freiformstruktur 200 und vor dem Aufbringen der zugehörigen Schutzstruktur 250. Das Füllelement 212 kann insbesondere ausgewählt sein aus einem dünnen Element aus Glas, Silizium, Keramik oder Metall, das den Raumbereich 150 zumindest teilweise ausfüllt. Bevorzugte Füllmaterialien 211 für das Füllelement 212 umfassen Floatglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3 · 10^-6/K, Silizium mit 4.2 · 10^-6/K, Quarzglas mit 0.6 · 10^-6/K , WCu mit 8 · 10^-6/K oder Invar36 mit 2 · 10^-6/K; die Verwendung eines anderen Füllmaterials mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist jedoch möglich.
Das Füllelement 212 kann hierzu vorzugsweise am Bauteilhalter 20, an einem oder mehreren der optischen Bauelemente 30, 40 anschließen oder damit verbunden sein, bevorzugt mittels eines Klebeelements (nicht dargestellt). Das Füllelement kann sich unmittelbar an eines oder mehrere der optischen Bauelemente 30, 40 anschließen, wobei das Anschließen einen oder mehrere Stoßspalte oder Klebespalte mit umfassen kann. Insbesondere aus praktischen Gründen zur Herstellung der optischen Anordnung 10 kann es vorteilhaft sein, das Füllelement 212 zuerst an dem optischen Bauteil 30, bevorzugt einer Glasfaser, zu befestigen, und dann das optische Bauteil 30 zusammen mit dem Füllelement 212 auf dem Bauteilträger 20 zu befestigen und danach das zweite optisches Element 40 daran anzuschließen. Zahlreiche andere Varianten dieses Vorgehens sind jedoch möglich.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Ein kombinierter Bauteilträger und Füllelement 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgeführt, dass zwischen den optischen Bauteilen 30, 40 eine Kante ausgeformt ist, welche den lateralen Abstand zwischen den optischen Bauteilen 30, 40 festlegt und als das teilweises Füllelement 212 für den Raumbereich 150 zwischen den optischen Bauteilen 30, 40, der Freiformstruktur 200 und der Montageebenen 110, 120 der optischen Bauteile 30, 40 dient. Das Trägermaterial 211 des kombinierten Bauteilträgers und Füllelements 22 weist auch hier einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bevorzugt kleiner 200 · 10^-6/K, besonders bevorzugt kleiner 100 · 10^-6/K, ganz besonders bevorzugt kleiner 50 · 10^-6/K auf. Für die Ausformung des kombinierten Bauteilträgers und Füllelements 22 eignen sich insbesondere

- Metalle wie WCu mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8 · 10^-6/K;
- Invar36 mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2 · 10^-6/K; oder
- (gesinterte) Keramiken mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie AlN oder Al₂O₃;

4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10. Die in 4 schematisch dargestellte optische Anordnung 10 umfasst die optischen Freiformstruktur 200, welche hier als mikrooptische Struktur, insbesondere als gedruckte 3D-Mikrolinse 206 ausgeführt ist, die an die optische Koppelstelle 50 angebracht ist. Andere Arten von Freiformstrukturen sind jedoch denkbar. Bevorzugt kann durch die Freiformstruktur 200 Licht aus der optischen Koppelstelle 50 in eine weitere optische Koppelstelle 55 geführt werden. Die optische Freiformstruktur 200, die hier in Form einer 3D Mikrolinse die an die optische Koppelstelle 50 angekoppelt ist, muss nicht notwendigerweise mit der Koppelstelle mechanisch verbunden sein, sie kann auch nur mit dem optischen Bauteil 30 oder auch nur mit der Füllstruktur 210 mechanisch verbunden sein.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens 310 zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10, die insbesondere in einem der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 4 beschreiben ist.
In einem Bereitstellungsschritt 312 gemäß Verfahrensschritt a) erfolgt ein Bereitstellen des Bauteilträgers 20, wobei der Bauteilträger 20 die Referenzebene 100 aufweist.
In einem Anbringungsschritt 314 gemäß Verfahrensschritt b) erfolgt ein Anbringen des ersten optischen Bauteils 30, das die optische Koppelstelle 50 aufweist, und des zweiten optischen Bauteils 40, das die optische Koppelstelle 55 aufweist, auf dem Bauteilträger 20. Hierdurch wird für das erste optische Bauteil 30 die erste Montageebene 110 festgelegt, die das erste optische Bauteil 30 auf der dem Bauteilträger 20 zugewandten Seite berührt und parallel zur Referenzebene 100 ist. Ebenso wird für das zweite optische Bauteil 40 die zweite Montageebene 120 festgelegt, die das zweite optische Bauteil 40 auf der dem Bauteilträger 20 zugewandten Seite berührt und ebenfalls parallel zur Referenzebene 100 ist.
In einem Ausfüllungsschritt 316 gemäß Verfahrensschritt d) erfolgt ein zumindest teilweises Ausfüllen, bevorzugt das nicht vollständige Ausfüllen, des Raumbereichs 150 mittels mindestens einer Füllstruktur 210 aus dem Füllmaterial 211. In der in 5 schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens 310 wird Verfahrensschritt d) direkt nach Verfahrensschritt a) oder gleichzeitig mit Verfahrensschritt b) durchgeführt; eine andere Reihenfolge der Verfahrensschritte (nicht dargestellt) ist jedoch möglich. Wie oben beschrieben, weist das Füllmaterial 211 innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für die Verwendung der Anordnung 10 festgelegt werden, eine geringere relative Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial 251.
In einem Anschließungsschritt 318 gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt ein Anschließen der optischen Freiformstruktur 200 an eine oder beide optische Koppelstellen 50, 55. Hierbei wird die optische Freiformstruktur 200 zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, von der Schutzstruktur 250, die das Schutzmaterial 251 umfasst, umgeben. Hierdurch wird durch die optische Freiformstruktur 200 und die für jedes optische Bauteil 30, 40 festgelegten Montagebenen 110, 120 der Raumbereich 150 festgelegt.
Für weitere Einzelheiten zu den 2 bis 5 wird auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen.
Bezugszeichenliste

10: optische Anordnung
20: Bauteilträger
21: Trägermaterial
22: kombinierter Bauteilträger und Füllelement
30, 40: optisches Bauteil
31, 41: optisches Material
50, 55: optische Koppelstelle
100: Referenzebene
110, 120: Montagebene
140: Bauteilhöhe
150: Raumbereich
160, 165: Verbindungsstrecken
160a, 165a: nächstgelegener Punkt
160b, 165b: beliebiger Punkt
200: Freiformstruktur
205: photonisches Wirebond
206: gedruckte 3D-Mikrolinse
210: Füllstruktur
211: Füllmaterial
212: Füllelement
250: Schutzstruktur
251: Schutzmaterial
310: Verfahren zur Herstellung einer optischen Anordnung
312: Bereitstellungsschritt
314: Anbringungsschritt
316: Ausfüllungsschritt
318: Anschließungsschritt

Claims

Optische Anordnung (10), umfassend - mindestens einen Bauteilträger (20), wobei der Bauteilträger (20) eine Referenzebene (100) aufweist; - mindestens zwei auf dem Bauteilträger (20) angebrachte optische Bauteile (30, 40), wobei jedes optische Bauteil (30, 40) mindestens eine optische Koppelstelle (50, 55) aufweist, wobei für jedes optische Bauteil (30, 40) jeweils eine dieses auf der dem Bauteilträger (20) zugewandten Seite berührende und zur Referenzebene (100) parallele Montageebene (110, 120) festgelegt ist; - mindestens eine optische Freiformstruktur (200), die an mindestens eine der optischen Koppelstellen (50, 55) angeschlossen ist, wobei durch die optische Freiformstruktur (200) und die für jedes optische Bauteil (30, 40) festgelegten Montagebenen (110, 120) ein Raumbereich (150) festgelegt ist; - mindestens eine die optische Freiformstruktur (200) zumindest bereichsweise umgebende Schutzstruktur (250), umfassend mindestens ein Schutzmaterial (251); - mindestens eine Füllstruktur (210), umfassend mindestens ein Füllmaterial (211), wobei die Füllstruktur (210) den Raumbereich (150) zumindest teilweise ausfüllt, und wobei das Füllmaterial (211) innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung (10) festgelegt sind, eine geringere relative Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial (251).
Optische Anordnung (10) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei alle Verbindungsstrecken (160, 165) zwischen beliebigen Punkten (160b, 165b) auf der optischen Freiformstruktur (200) und einem, jeweils nächstgelegenen Punkt (160a, 165a) auf der jeweiligen Montagebene (110, 120) durch den Raumbereich (150) verlaufen.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Raumbereich (150) bis zu einer Höhe von weniger als 200 µm, besonders bevorzugt von weniger als 100 µm, unterhalb der optischen Koppelstellen (50, 55) mit dem Füllmaterial (211) aufgefüllt ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein geringster Abstand zwischen der optischen Freiformstruktur (200) und der Füllstruktur (210) geringer ist als das 100-fache eines Durchmessers der optischen Freiformstruktur 200.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Füllmaterial (211) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der höchstens 100 · 10^-6/K beträgt.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Kombination des Füllmaterials (211) und des Schutzmaterials (251) einen gemittelten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der mindestens einen Faktor 2 unterhalb des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Schutzmaterials (251) alleine liegt.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Füllmaterials (211) in dem Raumbereich (150) von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Materials jedes optischen Bauteils (30, 40) höchstens um 50 % unterscheidet.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Füllstruktur (210) - ein in dem Raumbereich (150) ausgehärtetes Material umfasst; - ein in den Raumbereich (150) eingebrachtes Füllelement (212) aus einem festen Füllmaterial (211) umfasst.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Füllstruktur (210) - Teil des Bauteilträgers (20) ist; - fest oder lösbar mit dem Bauteilträger (20) verbunden ist, wobei der Bauteilträger (20) vorzugsweise ebenfalls das Füllmaterial (211) aufweist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Füllstruktur (210) - fest oder lösbar mit mindestens einem der optischen Bauteile (30, 40) verbunden ist; - Teil mindestens eines der optischen Bauteile (30, 40) ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Füllstruktur (210) als mechanischer Anschlag für eine Positionierung des optischen Bauteils (30, 40) dient.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein lateraler Abstand der beiden optischen Koppelstellen (50, 55) von 10 µm bis 10 mm beträgt.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die optische Freiformstruktur (200) einen photonischen Wirebond (205) oder eine mikrooptische Struktur umfasst.
Optische Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schutzmaterial (251) ein optisch transparentes Material ist, wobei ein optischer Brechungsindex des Füllmaterials (211) geringer ist der der optische Brechungsindex des Schutzmaterials (251).
Verfahren (310) zur Herstellung einer optischen Anordnung (10), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten: a) Bereitstellen mindestens eines Bauteilträgers (20), wobei der Bauteilträger (20) eine Referenzebene (100) aufweist; b) Anbringen von mindestens zwei optischen Bauteilen (30, 40), die jeweils mindestens eine optische Koppelstelle (50, 55) aufweisen, auf dem Bauteilträger (20), wodurch für jedes optische Bauteil (30, 40) jeweils eine dieses auf der dem Bauteilträger (20) zugewandten Seite berührende und zur Referenzebene (100) parallele Montageebene (110, 120) festgelegt wird; c) Anschließen mindestens einer optischen Freiformstruktur (200) an mindestens eine der optischen Koppelstellen (50, 55), wobei die mindestens eine optische Freiformstruktur (200) zumindest bereichsweise von mindestens einer Schutzstruktur (250), umfassend mindestens ein Schutzmaterial (251), umgeben wird, wobei durch die optische Freiformstruktur (200) und die für jedes optische Bauteil (30, 40) festgelegten Montagebenen (110, 120) ein Raumbereich (150) festgelegt wird; d) Zumindest teilweises Ausfüllen des Raumbereichs (150) mittels mindestens einer Füllstruktur (210) aus mindestens einem Füllmaterial (211), wobei das Füllmaterial (211) innerhalb von Umgebungsbedingungen, die für eine Verwendung der Anordnung (10) festgelegt werden, eine geringere relative Änderung von mechanischen Abmessungen aufweist als das Schutzmaterial (251).
Verfahren (310) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die optische Freiformstruktur (200) mittels eines additiven Nanofabrikationsverfahren, besonders bevorzugt mittels Zwei-Photonen-Polymerisation, hergestellt wird.