-
Die
Erfindung betrifft ein Bauteil, welches einen Schichtverbund mit
einem eingebetteten optischen Wellenleiter trägt, wobei
der Schichtverbund drei aufeinander folgende Lagen aufweist. Vom
Bauteil ausgesehen ist eine erste Lage aus einem optischen Mantelmaterial
vorgesehen. Darauf folgt eine zweite Lage aus einem optischen Kernmaterial,
aus der der Wellenleiter herausgearbeitet ist. Hierauf folgt eine
dritte Lage aus einem optischen Mantelmaterial, welche gemeinsam
mit der ersten Lage den gesamten Umfang des Wellenleiters umschließt.
Als Bauteile können prinzipiell beliebige Strukturen mit
dem Schichtverbund beschichtet werden. Bevorzugt lassen sich hiermit
Gehäusestrukturen herstellen, welche gleichzeitig einer
Leitung von optischen Signalen dienen sollen. Insbesondere lassen
sich als Bauteile auch Leiterplatten beschichten, die neben optischen Signalen
mittels Leiterbahnen auch elektrische Signale transportieren können.
-
Der
Wellenleiter ist aus der Lage aus dem optischen Kernmaterial herausgearbeitet.
Das Herausarbeiten kann durch eine geeignete Strukturierung der
zweiten Lage erfolgen, wodurch strangförmige Wellenleiter
entstehen. Die optische Leitfähigkeit wird dabei durch
die Wahl des Materials gewährleistet, wobei der Begriff
Kernmaterial bedeutet, dass das Material als Kern des optischen
Wellenleiters geeignet ist. Durch Ummantelung mit dem Mantelmaterial
wird weiterhin eine möglichst verlustfreie Übertragung
sichergestellt, wobei an dem Übergang zwischen Kernmaterial
und Mantelmaterial, welches das Kernmaterial des Wellenleiters vollständig
umschließt, eine Totalreflexion der optischen Signale erfolgt.
-
Weiterhin
ist der Wellenleiter mit einer optischen Schnittstelle für
eine optische Faser ausgestattet, für die in dem Bauteil
Bezugsflächen zur Justage gegenüber der optischen
Schnittstelle vorgesehen sind. Dabei dienen die Bezugsflächen
für eine Anlage der optischen Faser, so dass eine Zentrierung des
Kerns der optischen Faser gegenüber dem optischen Wellenleiter
in dem Bauteil zwecks möglichst verlustfreier Übertragung
der optischen Signale möglich ist.
-
Ein
Bauteil der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
EP 762 162 A1 bekannt.
Das Bauteil ist durch ein Substrat gebildet, auf dem der Wellenleiter
durch mehrere Schichten hergestellt wird. Diese Schichten werden
unter Anwendung der Maskentechnologie erzeugt, wobei die Masken
so ausgebildet werden, dass sich gleichzeitig mit dem Wellenleiter
eine sogenannte V-Grube in dem Substrat erzeugen lässt.
Diese V-Grube wird durch eine Ätzbehandlung des Substrates
hergestellt, wobei für den Angriff des Ätzmediums
ein entsprechendes Fenster in der zugehörigen Maske vorgesehen
wird. Die V-Grube weist aufgrund der schräg zur Oberfläche
des Substrats ausgerichteten Flanken zwei Bezugsflächen
auf, die sich am Grund der Grube treffen. Auf diese Weise kann sich
die in die Grube eingelegte optische Faser mit jeweils einem Punkt
des Umfanges auf den Flanken abstützen, wodurch eine genaue
Definition der Lage gegenüber dem in das Bauteil integrierten
optischen Wellenleiter möglich ist.
-
Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Bauteil der eingangs genannten
Art derart fortzubilden, dass eine Herstellung vergleichsweise einfach erfolgen
kann und die erforderliche Fertigungsgenauigkeit dabei erreicht
wird.
-
Diese
Aufgabe wird mit dem eingangs beschriebenen Bauteil erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Bezugsflächen durch eine die
erste, die zweite und die dritte Lage durchdringende Nut gebildet
ist, wobei sowohl der Nutgrund als auch die Nutflanken der Nut die
Bezugsflächen bilden. Dies wird ermöglicht durch
die Ausbildung der Nut mit einem rechteckigen Querschnitt, d. h.
der Nutgrund bildet zusätzlich zu den Nutflanken eine Bezugsfläche,
auf der die zu justierende optische Faser ausgerichtet werden kann.
Dabei ist die Herstellung einer Nut mit rechteckigen Querschnitt
vorteilhaft verglichen zur Herstellung von V-Gruben erleichtert,
weil die Herstellung der erfindungsgemäßen Nut
mit denselben Verfahren erzeugt werden kann, mit denen auch die Strukturierung
des in das Bauteil integrierten optischen Wellenleiters erfolgen
kann. Hierdurch wird ein zusätzlicher Fertigungsschritt
eingespart, ohne dass hierbei eine Einbuße der Fertigungsgenauigkeit
hingenommen werden muss.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand der
Nutflanken unter Berücksichtigung der zu verwendenden optischen Faser
als Spielpassung ausgeführt ist. Hierbei kann eine Spielpassung
ausgewählt werden, deren zulässiger Toleranzbereich
die für die Ausrichtung optischer Komponenten notwendige
Genauigkeit nicht überschreitet. Die Verwendung einer Spielpassung hat
weiterhin den Vorteil, dass sich die optische Faser kräftefrei
in die Nut einlegen lässt, wodurch eine Beschädigung
der empfindlichen Faser vermieden werden kann. Alternativ ist auch
das Vorsehen einer Presspassung möglich, wenn das Bauteil
nach der Montage nicht gesondert fixiert werden soll. Diese Alternative
bietet sich für Anwendungen an, bei denen Argumente einer
möglichst einfachen Fertigung im Vergleich zur geforderten Übertragungsqualität
vorrangig sind, da nach Montage ein Herausrutschen der Faser verhindert
wird.
-
Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Nutgrund
durch das die erste Lage tragende Bauteil gebildet ist, wobei die
Summe der Schichtdicke der ersten Lage und der Hälfte der Schichtdicke
der zweiten Lage dem Radius der zu verwendenden optischen Faser
entspricht. Die Verwendung des Bauteils als Nutgrund hat den Vorteil, dass
das Bauteil eine Bezugsfläche zur Verfügung stellen
kann, welche im Verhältnis zu den aufzubringenden Lagen
eine eindeutige Position aufweist. Hierdurch entsteht durch Freilegen
des Bauteils vorteilhaft eine geometrisch gut definierte Bezugsfläche. Weiterhin
ist die Strukturierung der ersten Lage in diesem Fall besonders
einfach durchzuführen. Diese muss im Bereich des zu bildenden
Nutgrundes einfach vollständig entfernt werden. Damit entsteht durch
diese Variante der Erfindung vorteilhaft eine leicht zu fertigende
und hochgenaue Justageeinrichtung am Bauteil.
-
Vorteilhaft
kann auch vorgesehen werden, dass sich an die Nut eine weitere Nut
zur Aufnahme desjenigen Teils der optischen Faser anschließt,
der mit einer Ummantelung versehen ist, wobei der Nutgrund der weiteren
Nut bezogen auf die Oberfläche des Bauteils tiefer liegt.
Dies lässt sich beispielsweise erreichen, wenn das Bauteil
vor dem Aufbringen der ersten Lage bereits mit einer anderen Schicht
versehen wurde, die sich zur Ausbildung der weiteren Nut ebenfalls
strukturieren lässt. Der Nutgrund der weiteren Nut muss
tiefer liegen, da der Teil der optischen Faser mit Ummantelung einen
größeren Durchmesser als derjenige ohne Ummantelung
aufweist. Damit die optische Faser genau und kräftefrei
positioniert werden kann, muss im Bereich der Aufnahme (gebildet
aus der Nut und der weiteren Nut) ein gradliniger Verlauf sichergestellt
werden, der durch die größere Tiefe der weiteren
Nut gewährleistet wird.
-
Zusätzlich
vorteilhaft ist es, wenn die weitere Nut mit einer Aufnahme für
eine an der optischen Faser befindliche Zugentlastung ausgestattet
ist. Hierdurch entsteht am Bauteil ein Verband aus Aufnahme und
Zugentlastung, welcher nach erfolgter Montage der optischen Faser
am Bauteil eine kräftefreie Halterung des für
die optische Übertragung wichtigen Faserendes im Bauteil
gewährleistet.
-
Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines
Bauteils, welches einen Schichtverbund mit einem optischen Wellenleiter trägt.
Bei diesem Verfahren werden zur Erzeugung des Schichtverbundes drei
aufeinander folgende Lagen hergestellt, nämlich zuerst
eine erste Lage aus einem optischen Mantelmaterial, dann eine zweite Lage
aus einem optischen Kernmaterial, aus der der Wellenleiter herausgearbeitet
wird und zuletzt eine dritte Lage aus einem optischen Mantelmaterial.
Die erste und dritte Lage schließen den gebildeten optischen
Wellenleiter am gesamten Umfang ein, so dass durch den Aufbau mit
Kern und Hülle eine einwandfreie optische Signalübertragung
im eingebetteten Wellenleiter erfolgen kann.
-
Der
Wellenleiter weist weiterhin eine optische Schnittstelle für
eine optische Faser auf, die durch Herstellung einer geeigneten
geometrischen Struktur im Bauteil erzeugt wird. Hierbei entstehen Bezugsflächen
zur Justage der optischen Faser gegenüber der optischen
Schnittstelle, welche eine anschließende Montage der optischen
Faser erleichtern.
-
Ein
Verfahren der angegebenen Art ist in der bereits erwähnten
EP 762 162 A1 bekannt
und wurde eingangs bereits erläutert.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht damit darin, das genannte
Verfahren dahingehend zu verbessern, dass Fertigungsaufwand eingespart werden
kann und gleichzeitig die geforderte Maßgenauigkeit der
zu erzeugenden optischen Schnittstelle erreicht wird.
-
Diese
Aufgabe wird mit dem genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Bezugsflächen dadurch ausgebildet
werden, dass eine die erste, die zweite und die dritte Lage durchdringende
Nut erzeugt wird, wobei sowohl der Nutgrund als auch die Nutflanken
der Nut die Bezugsflächen bilden. Damit der Nutgrund eine
Bezugsfläche bilden kann, müssen die Nutflanken
einen genügenden Abstand voneinander aufweisen, damit die
zu montierende optische Faser so tief in die Nut eingebracht werden
kann, dass sie sich mit ihrer Umfangsfläche auf dem Nutgrund
abstützen kann. Bevorzugt wird der Abstand der Nutflanken
hierfür als Spielpassung ausgeführt. Wird die
Nut mit einem rechteckigen Querschnitt hergestellt, so ist die Fertigung
besonders einfach durchzuführen.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung dieser Erfindung ist vorgesehen, dass die Nut dadurch
erzeugt wird, dass jeweils nach Aufbringen der ersten, der zweiten
bzw. der dritten Schicht durch Strukturieren ein an der Geometrie
der zu erzeugenden Nut angepasster Abschnitt erzeugt wird. Hierbei
ist zu berücksichtigen, dass die Nut die drei Lagen durchdringen soll,
womit jede der Lagen an der Bildung der Nut beteiligt ist und somit
einen bestimmten Abschnitt der Nut bildet. Fertigungstechnisch ergibt
sich hierdurch der Vorteil, dass die Strukturierung der Schichten
am besten gelingt, wenn diese einzeln durchgeführt werden.
Insbesondere eine fotolithografische Strukturierung der einzelnen
Schichten ist nur möglich, bevor die folgende Schicht auf
das Bauteil aufgetragen wird.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Strukturierung der ersten Schicht im
Bereich der zu erzeugenden Nut einen Abtrag des Schichtmaterials
bis auf das unter der ersten Schicht liegende Substrat beinhaltet.
Das Substrat wird durch das Bauteil gebildet, welches vor dem Aufbringen
der ersten Lage bereits andere Beschichtungen erhalten haben kann. Der
Abtrag des Schichtmaterials bis auf das Substrat lässt
sich vorteilhaft insbesondere bei einer fotolithografischen Strukturierung
besonders einfach herstellen. Gleichzeitig entsteht vorteilhaft
eine genau definierte Bezugsfläche, die durch die Oberfläche
des Substrates (Bauteil) gebildet wird. Eine fotolithografische
Strukturierung erfolgt vorteilhaft unter Verwendung von Masken,
die für die Entwicklung der Lagen geeignete Durchlassöffnungen
für beispielsweise UV-Licht besitzen.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, zur Ausrichtung der Masken lokale Justagemarken
auf dem Bauteil anzubringen. Als lokale Justagemarken werden im Gegensatz
zu globalen Justagemarken solche bezeichnet, welche sich in der
Nähe von hochgenauen zu strukturierenden Strukturen befinden.
Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine höhere Genauigkeit
erzeugen. Im Falle von Leiterplatten befinden sich lokale Justagemarken
daher vorzugsweise innerhalb desjenigen Bereiches, der nach der
Strukturierung die Leiterplatte bildet. Globale Justagemarken liegen
hingegen normalerweise außerhalb der zu bildenden Leiterplatten,
so dass diese nach erfolgter Strukturierung einer Vielzahl von Leiterplatten
und deren Vereinzelung nicht mehr erkennbar sind.
-
Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung
erläutert. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind
in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie
sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Bauteils als Aufsicht,
-
2 den
Schnitt II-II gemäß 1,
-
3 eine
perspektivische Ansicht eines Oberflächenausschnittes des
Bauteils gemäß 1, und die
-
4 bis 6 verschiedene
Fertigungsschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wobei die 4 und 6 das Bauteil
in der Schnittebene II-II gemäß 1 und 5 in
der Schnittebene V-V gemäß 1 darstellen.
-
In 1 ist
ein Bauteil 11 in Form einer Leiterplatte dargestellt.
Dieses weist eine erste Schicht 12 auf, auf der weiterhin
ein Schichtverbund 13 mit einer in 1 nicht
zu erkennenden ersten Lage 14, zweiten Lage 15 und
dritten Lage 16 (vgl. 4 bis 6)
aufgebracht ist.
-
In
den Schichtverbund 13 ist eine Nut 17 eingebracht,
in die eine optische Faser 18, die am Faserende von ihrer
Umhüllung 19 befreit ist, eingeschoben werden
kann. Die Stirnseite 20 der optischen Faser 18 wird
hierbei mit einer optischen Schnittstelle 21 in Kontakt
gebracht, die eine Übertragung von Lichtsignalen zwischen
der Faser 18 und einem in 1 nicht
zu erkennenden, eingebetteten optischen Wellenleiter 22 ermöglicht.
Die Umhüllung 19 der Faser kommt dabei in einer
weiteren Nut 23 zu liegen, welche in der ersten Schicht 12 vorgesehen ist
und sich bis zum Rand 24 des Bauteils erstreckt. Hier läuft
diese weitere Nut in eine Aufnahme 25 aus, welche für
eine Zugentlastung 26 an der Umhüllung 19 der
Faser 18 vorgesehen ist.
-
Die
Nuten 17, 23 und insbesondere auch die Aufnahme 25 können
beispielsweise durch Mikrofräsen hergestellt werden. Für
die Herstellung der Nuten 17, 23 ist insbesondere
jedoch auch eine fotolithografische Herstellung vorteilhaft (hierzu
im Folgenden mehr). Zur Ausrichtung der hierzu notwendigen Masken
sind auf der ersten Schicht 12 Justagemarken 27 aufgebracht,
die mit geeigneten Strukturen der Maske in Deckung gebracht werden
müssen.
-
In
der geschnittenen Darstellung der 2 lässt
sich der Querschnitt der Nut 17 erkennen. Neben dem Bauteil 11 ist
auch strichpunktiert die Faser 18 im montierten Zustand
angedeutet. Diese weist einen Licht leitenden Kern 28 und
eine diesen umgebende Hülle 29 auf. Der Kern 28 der
Faser 18 wird fluchtend mit dem eingebetteten optischen
Wellenleiter 22 in Verbindung gebracht, so dass ein Austausch von
optischen Signalen zwischen der Faser 18 und dem Wellenleiter 22 möglich
ist.
-
Zur
fluchtenden Justage der Faser 18 dient die Nut 17,
in die die Faser 18 eingelegt werden kann. Um die Position
der Faser 18 gegenüber dem Wellenleiter 22 eindeutig
zu definieren, liegt diese an den Nutflanken 30 sowie auf
dem Nutgrund 31 an. Damit bilden die Nutflanken 30 und
der Nutgrund 31 Bezugsflächen für die
vorzunehmende Justage. Der Nutgrund wird dabei bevorzugt durch das
Bauteil 11, bestehend aus einem Substrat 32 und
der ersten Schicht 12, gebildet. Die Nutflanken entstehen
durch Strukturierung des Schichtverbundes 13.
-
Die
Nutweite a, die den Abstand zwischen den beiden Nutflanken 30 beschreibt,
ist als Spielpassung ausgelegt. Unter Be rücksichtigung
der bei der Optikmontage üblichen Toleranzen kann für
das Abmaß der Nutweite a beispielsweise der nominelle Durchmesser
der Faser 18 gewählt werden, wobei das Abmaß zwischen
+1 und +5 μm größer ist.
-
Der
Nutgrund 31 kann als Bezugsfläche verwendet werden,
wenn die Dicken der ersten Lage 14 und der zweiten Lage 15 entsprechend
eingehalten werden. Die Toleranzabweichungen ergeben sich durch
die fertigungsbedingten Dickenschwankungen und können beispielsweise
auf 3 μm in jeder Richtung festgelegt werden. Eine Zentrierung
des Kerns 28 gegenüber dem Wellenleiter 22 wird
dadurch erreicht, dass die Summe aus der Dicke b der Lage 14 und
der Hälfte der Dicke c/2 der Lage 15 gerade dem Radius
r der Faser 18 entspricht, d. h.: r
= b + c/2
-
Der 3 lässt
sich eine perspektivische Ansicht der Oberfläche des mit
dem Schichtverbund 13 beschichten Bauteils 11 entnehmen.
Zu erkennen ist, dass das Bauteil eine einheitliche Fläche
zur Verfügung stellt, welche im Bereich der Nut 17 den
Nutgrund 31 bildet. Die Nutflanken 30 werden in
Abschnitten jeweils durch die Lagen 14 und 16 gebildet. Die
Lage 15 ist nur im Bereich des Wellenleiters 22 zu
erkennen, da diese ansonsten von der ersten Lage 14 nach
Strukturierung des Wellenleiters 22 wieder entfernt wird.
Dies ermöglicht die Ausbildung des Wellenleiters 22 aus
dem Kernmaterial, während dieser vollständig von
den aus dem Mantelmaterial bestehenden Lagen 14 und 16 umhüllt
ist.
-
Den 4 bis 6 lassen
sich ausgewählte Fertigungsschritte für den Schichtverbund 13 entnehmen.
In 4 wurde die erste Lage 14 auf das Bauteil 11 aufgebracht.
Zur Strukturierung der Nut 17 (vgl. 6) ist eine
Maske 33a notwendig, die lediglich den Bereich der auszubildenden
Nut abdeckt. Der Rest der Lage 14 kann nach Aufbringung
der Maske mit UV-Licht bestrahlt werden und härtet daher
aus.
-
In 5 wurde
die zweite Lage 15 aufgebracht, aus der der Wellenleiter 22 erzeugt
werden soll. Hierzu ist eine Maske 33b erforderlich, welche lediglich
im Bereich des zu erzeugenden Wellenleiters 22 einen Belichtungsschlitz 34 aufweist.
Nach Belichtung der Lage 15 durch diesen Belichtungsschlitz 34 kann
eine Entfernung des nicht belichteten Schichtmaterials der Schichten 14 und 15 erfolgen, was
zu der Schichtgeometrie gemäß 6 führt.
-
In 6 ist
die Aufbringung der Lage 16 dargestellt. Der aus der Lage 15 gebildete
Wellenleiter 22 ist gestrichelt dargestellt, da dieser
an sich in dem Schnitt gemäß 6 nicht
zu erkennen ist. Es zeigt sich, dass das Material der Lage 16 die
auszubildende Nut 17 erneut ausfüllt und aufgrund
einer genügenden Dicke auch den Wellenleiter 22 vollständig einschließt.
Eine Strukturierung dieser Schicht erfolgt wieder mittels der Maske 33a,
so dass das die auszubildende Nut ausfüllende Material
der Lage 16 nicht belichtet wird und in einem nachfolgenden Schritt
aus der Nut 17 entfernt werden kann (nicht dargestellt).
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 762162
A1 [0004, 0013]