DE3880234T2

DE3880234T2 - Ausrichten von glasfaser-arrays.

Info

Publication number: DE3880234T2
Application number: DE8888201696T
Authority: DE
Inventors: Fredrick Arthur Randle
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1987-08-19
Filing date: 1988-08-08
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2008-08-09
Also published as: GB2208943B; EP0304118A2; US4892377A; DE3880234D1; GB2208943A; GB8719557D0; JP2664214B2; EP0304118A3; JPH01140104A; EP0304118B1

Description

Die Erfindung betrifft das Ausrichten eines Glasfaserarrays von einem oder mehreren optischen Bausteinen, insbesondere Glasfasern, mit einer Anordnung von einem oder mehreren Bausteinen, die in einem oder mehreren Blöcken oder Materialien angeordnet sind.
In dieser Beschreibung wird unter optischen Bausteinen jeder lichtübertragende Baustein verstanden, wie beispielsweise eine Laserdiode, jeder lichtempfangene Baustein, wie z.B. eine Photodiode, oder jeder licht- oder lichtwellenführende Baustein, wie beispielsweise ein leitender Überzug, der in einem Materialblock angeordnet ist und gewöhnlich ein isolierender Kunststoff ist.
Unter optischem Baustein wird in dieser Beschreibung ein lichtleitendes Element verstanden, wie beispielsweise eine Glasfaser, obwohl es ebenfalls einen Lichtwellenleiter und jede der Vorrichtungen, die in dem oben definierten optischen Baustein beinhaltet sind, umfaßt.
Ein in der Vergangenheit immer wieder auftretendes Problem ist das Ausrichten einer Anordnung von einzelnen Glasfasern mit entsprechenden optischen Bausteinen, um eine wirksame Lichtkopplung zwischen den Enden der Lichtleiter und den optischen Bausteinen zu erzielen. Ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren beinhaltet das Anbringen der Glasfasern an vorbestimmten Stellen auf einem Substrat aus Silicium und dann Ausrichten des Blockes oder der Blöcke, die die optischen Bausteine enthalten, mit den Glasfasern mit Hilfe eines manuellen Ausrichtungsverfahrens, während gleichzeitig der Block oder die Blöcke an das Substrat mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffes gebunden wird. Das Problem bei diesem Ausrichtungsverfahrens ist, daß es zeitraubend und aufwendig ist und einen hochkomplizierten Vorgang darstellt.
Um dieses Problem zu vermeiden, verbessert die vorliegende Erfindung eine Technik, die im Stand der Technik des Verbindens und Ausrichtens eines integrierten Schaltkreis-Chips auf einem Substrat wohlbekannt ist und als gesteuerte zusammenfügende Aufweichungs-Chip-Bindung (controlled collaps reflow chip bonding; CCRCB) bekannt geworden ist.
Diese Technik, die beispielsweise in der Patentanmeldung WO 87/01509 offenbart ist, beinhaltet die Ausrichtung des Chips in zweidimensionaler Ebene auf dem Substrat unter Ausrichtung eines Arrays von Lotbuckeln auf einer vorgesehen Anordnung von Lotfüßen auf den zusammenwirkenden Flächen des Substrats und des Chips. In der vorliegenden Erfindung ist diese Technik dem Problem der Ausrichtung optischer Bausteine und optischer Elemente durch Steuerung relativ zu einer Substratoberfläche mit Hilfe genauer Steuerung bezüglich der Größe der Lottropfen, die bei der CCRCB-Technik verwendet werden, angepaßt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ausrichten einer Glasfaser oder einer Anordnung von Glasfasern mit einem optischen Baustein oder eine Anordnung von optischen Bausteinen, die Teil eines Blockes sind, beschrieben, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte beinhaltet: Bereitstellen eines Substrats mit einer Grundfläche; Ausbilden einer ersten Anordnung von lotaufnehmenden Füßen auf der ersten Grundfläche, wobei jeder einen vorbestimmten Bereich aufweist, umgeben von Bereichen, die lotabstoßend sind; Ausbilden einer Ausnehmung oder einer Anordnung von Ausnehmungen in dem Substrat, wobei die Ausnehmung oder jede der Ausnehmungen ausgerichtet sind mit und in einer genauen seitlichen Beziehung zu der ersten Anordnung der lotaufnehmenden Füße; Ausstatten des Blockes mit den entsprechenden optischen Bausteinen oder einer Anordnung von optischen Bausteinen; Ausbilden einer zweiten Grundfläche; Ausbilden einer zweiten Anordnung von lotaufnehmenden Füßen vorbestimmter Größe auf der zweiten Grundfläche, die umgeben sind von lotabstoßenden Bereichen, wobei die zweite Anordnung von lotaufnehmenden Füßen relativ zueinander in Stellungen im Verhältnis eins zu eins mit entsprechenden Stellungen der lotaufnehmenden Füße der ersten Anordnung angeordnet sind; Anbringen einer gesteuerten Menge von Lot an einigen oder allen der Lotfüße der ersten und der zweiten Anordnungen; Anbringen des Blockes oberhalb des Substrats mit der ersten und zweiten Grundfläche, die sich gegenüberstehen; Aufweichen des Lots, um damit Lottropfen vorbestimmter Dimensionen zu bilden, wobei die Lottropfen den Block in einer vorbestimmten Höhe oberhalb der ersten Grundfläche befestigen und anschließendes seitliches und längliches Ausrichten bezüglich des Substrats; und Anbringen und Befestigen der Glasfaser oder der Anordnung von Glasfasern in der Ausnehmung oder der Anordnung von Ausnehmungen, die in dem Substrat ausgebildet sind, um damit die Glasfaser oder die Anordnung der Glasfasern mit dem optischen Baustein oder den Anordnungen optischer Bausteine auszurichten.
Somit ist es in Übereinstimmung mit der Erfindung möglich, den Block oder die Blöcke, die optische Bausteine beinhalten, mit optischen Elementen (Glasfasern) beide in der Ebene des Substrats und in der Höhendimension auszurichten, da die Dimensionen der Lottropfen auf den Lotfüßen genauestens gesteuert werden können. Die Dimensionen der Lotfüße können sehr genau mit Hilfe einer photolithographischen Technik gesteuert werden, und die Dicke der Lotschicht, die sich auf den Füßen bildet, kann mit Hilfe einer Verdampfungstechnik unter Verwendung und Bildung einer genau dimensionalisierten Maske, die durch photolithographische Techniken erstellt wurde, gesteuert werden. Auf diesem Wege kann die Höhe der Blöcke oberhalb des Substrats innerhalb einer Fehlerbreite von 0,5 um oder weniger vorhergesagt werden, was ausreichend für die optische Ausrichtung von Glasfasern mit optischen Bausteinen ist.
Das Substrat kann elektrische Bausteine aufweisen, die elektrisch mit den Lotfüßen verbunden sind und somit auch elektrisch mit den Bausteinen innerhalb des Blockes oder der Blöcke der optischen Bausteine verbunden sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Teilschnittansicht einer optischen Kopplung darstellt;
Fig. 2 eine Darstellung eines Verfahrensschrittes in der Zusammenfügung der optischen Kopplung aus Fig. 1 zeigt; und
Fig. 3 bis 6 perspektivische Darstellungen weiterer optischer Kopplungen darstellt, die in Übereinstimmung mit der Erfindung zusammengefügt werden.
Mit Bezug auf Fig. 1 bildet ein Siliciumscheibchen 2 ein Substrat und weist darauf eine Anordnung von präzise positionierten und dimensionierten Lötfüßen 4 auf, die durch photolithographische Techniken erstellt wurden. Die Lötfüße 4 sind mit präzise bemessenen Mengen von Lot 6 mit Hilfe einer Verdampfungstechnik überzogen, wobei eine akkurat dimensionierte Maske, die durch photolithographische Techniken gebildet ist, verwendet wird. Die Siliciumoberfläche, die die Füße umgibt, ist nicht Lot aufnehmend oder Lot abstoßend. Zusätzlich wird eine Änordnung von V-förmigen Ausnehmungen 8 gebildet, die an einer Kante des Substrats endet und so bemessen ist, daß darin die Enden einer Anordnung von optischen Lichtleitern 10 aufgenommen werden können. Eine optische Einrichtung 12, die als ein Materialblock ausgebildet ist, beinhaltet optische Komponenten, die wiederum sogenannte Ports (Wellenleiter) 14 beinhalten. Die untere Oberfläche des Blocks enthält eine Anordnung von Lötfüßen 16, die in derselben Weise wie die Lotfüße 4 ausgebildet sind und so positioniert sind, daß sie in Übereinstimmung mit der Anordnung der Füße 4 stehen.
Um die optische Kopplung, dargestellt in Fig. 1, zu realisieren, werden die beiden Anordnungen der Lötfüße 4, 16 in grobe Ausrichtung gebracht, und hernach wird das Ganze auf eine Temperatur gebracht, bis das Lot 6 zu schmelzen beginnt. Das geschmolzene Lot bringt infolge von Oberflächenspannungseffekten die beiden Sätze der Füße in Übereinstimmung und wird dann Tropfen von genau bestimmten Dimensionen bilden, die die Höhe der Einrichtung 12 oberhalb der Ebene des Substrats mit einer Genauigkeit von kleiner als 0,5 um bestimmt, was ausreichend ist, um eine genauer optische Kopplung zwischen dem Lichtleiter 10 und den optischen Komponenten herbeizuführen.
Der Lichtleiter 10 kann mit Hilfe von Lot oder anderen passenden Klebern vor oder nachdem das Substrat 2 an die optische Einrichtung gebracht wurde, befestigt werden. Eine vertikale Ausrichtung der Lichtleiterseelen mit den optischen Wellenleitern wird in Konsequenz der ursprünglichen Photolithographie der V-förmigen Ausnehmungen erzielt, die die Höhe der Lichtleiterkerne bestimmt, so daß die Höhe die gleiche ist, wie diejenige der optischen Wellenleiter 12.
Bezugnehmend auf die Fig. 2, wird in das Substrat eines geeigneten Materials 20 in seine Oberfläche eine Serie von V-förmigen Ausnehmungen 22 hineingeätzt und in präziser Ausrichtung zu diesen Ausnehmungen eine Anordnung von Lot aufnehmenden Füßen 24. Die Enden 26 der V-förmigen Ausnehmungen werden ebenfalls in dem gleichen photolithographischen Schritt genau fixiert und können als Endanschlag für die Lichtleiter 28 verwendet werden, um den Endabstand der Lichtleiter zu der optischen Einrichtung zu setzen. Die optische Einrichtung 30 weist eine entsprechende Anordnung von Lot aufnehmenden Füßen 32 auf. Das Lot kann aufgedampft oder aufgesputtert werden und zwar entweder auf das V-förmige Ausnehmungssubstrat 20 oder die optische Einrichtung oder auf beide. Die Lichtleiter können in der V-förmigen Ausnehmung bis zum Endanschlag fixiert werden, bevor die optische Einrichtung angebracht wird, oder dieser Vorgang kann auch durchgeführt werden, nachdem die beiden Teile zusammengeführt sind. Nach dem Umdrehen des Substrats 20, wie es im Bild dargestellt ist, und dem Wiedererweichen des Lots wird eine endgültige Lichtleitereinrichtung hergestellt.
In Fig. 3 werden zwei Sätze von V-förmigen Ausnehmungen 34 dargestellt, die kontinuierlich in ein geeignetes Substrat 36 geätzt werden können. Lot aufnehmende Füße 38 sind wiederum genau auf dem Substrat 36 angebracht und die optische Einrichtung 40 ermöglicht die endgültige Ausrichtung. Auch sind auf dem V-förmigen Ausnehmungsstreifen leitende Pfade 42, die Lot aufnehmende Bereiche 44 aufweisen, die mit der Stelle der optischen Einrichtungselektrode übereinstimmen. Nach dem Wiedererweichen des Verbindungslots und Einsetzen der Lichtleiter in die V-förmigen Ausnehmungen können die Einrichtungselektroden mit Hilfe von Draht-Bonding auf den hervortretenden leitenden Pfaden 42 zugänglich gemacht werden. Zusätzlich können elektrische Komponenten in das Substrat 36 mit Hilfe bekannter Integrationstechniken in elektrischen Kontakt mit den Pfaden 42 gebracht werden.
Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 3 gezeigt wurde, die zinnverbundene Pfade 42 aufweist, jedoch enden in diesem Beispiel die Pfade mit beschichteten Durchgangslöchern. Die Löcher ermöglichen eine positive Positionierung für die Anordnung auf einer geeigneten Basisplatte 48 mit hervortretenden Beinen 49. Die Wiederaufwärmung des Lots an den Löchern bereitet eine elektrische und mechanische Verbindung ohne jeglichen weiteren Aufwand. Die gesamte Anordnung kann dann durch Einkapselung geschützt werden.
Fig. 5 zeigt eine Modifikation der Anordnung aus Fig. 4. Sie zeigt ferner ein Verfahren zum Anbringen der Leiterbahnen 52 an die Grundplattenbeine 54 ohne die Notwendigkeit etwaiger Durchgangslöcher durch Anbringen flacher Endflächen 56 an den Beinen 54, in Übereinstimmung mit den Pfaden 52. Lot oder leitfähiger Kleber wird für den Kontaktbereich der Endoberflächen 56 und der Pfade 52 verwendet, so daß das gewendete Ensemble zusammengehalten wird, wie es hier gezeigt ist. Eine Kunststoffeinkapselung kann verwendet werden, um das gesamte Ensemble zu schützen.
Die in Fig. 6 gezeigte Zusammenstellung beinhaltet eine Anzahl von optischen Einrichtungen 60 ebenso wie eine Anordnung von Lichtleitern 62. Die optischen Einrichtungen 60 sind jede für sich als ein Block ausgebildet und enthalten optische Komponenten, die jeweils zueinander ausgerichtet und in ihrer Position unter Verwendung von Lot ausgerichteten Füßen in ihrer Position befestigt sind. Ein derartiges System kann in einem Arbeitsgang zusammengesetzt werden und dann in einem geeigneten Schutzmaterial eingekapselt werden.
Die vorangegangene Beschreibung zeigt, daß die vorliegende Erfindung kostengünstig und mit einem arbeitsunabhängigen Verfahren zur Ausrichtung der optischen Einrichtungen und Glasfasern mit Sub-Mikron-Genauigkeit gefertigt werden kann ebenso wie die Schaffung von elektrischen Verbindungen zu aktiven Einrichtungen ohne Verwendung von Draht-Bond-Techniken. Standardphotolithographische und Loterwärmungstechniken werden hier verwendet, und das endgültige Ensemble kann in herkömmlichen Konfigurationen eingekapselt und eingepackt werden.

Claims

1. Verfahren zum Ausrichten einer Glasfaser oder einer Anordnung von Glasfasern mit einem optischen Baustein oder einer Anordnung von optischen Bausteinen, die Teil eines Blockes sind, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte beinhaltet:

- Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten Grundfläche

- Ausbilden einer ersten Anordnung von lotaufnehmenden Füßen auf der ersten Grundfläche, wobei jeder einen vorbestimmten Bereich aufweist, umgeben von Bereichen, die lotabstoßend sind;

- Ausbildung einer Ausnehmung oder einer Anordnung von Ausnehmungen in dem Substrat, wobei die Ausnehmung oder jede der Ausnehmungen ausgerichtet sind mit und in einer genauen seitlichen Beziehung zu der ersten Anordnung der lotaufnehmenden Füße;

- Ausstatten des Blocks mit den entsprechenden optischen Bausteinen oder einer Anordnung von optischen Bausteinen, wobei der Block eine zweite Grundfläche aufweist;

- Ausbilden einer zweiten Anordnung von lotaufnehmenden Füßen vorbestimmter Größe auf der zweiten Grundfläche, die umgeben sind von lotabstoßenden Bereichen, wobei die zweite Anordnung von lotaufnehmenden Füßen relativ zueinander in Stellungen im Verhältnis eins zu eins mit entsprechenden Stellungen der lotaufnehmenden Füße der ersten Anordnung angeordnet sind;

- Anbringen einer gesteuerten Menge von Lotfüßen an einigen oder allen Lotfüße der ersten und der zweiten Anordnungen;

- Anbringen des Blockes oberhalb des Substrats mit der ersten und zweiten Grundfläche, die sich gegenüberstehen;

- Aufweichen des Lotes, um damit Lottropfen vorbestimmter Dimensionen zu bilden, wobei die Lottropfen den Block in einer vorbestimmten Höhe oberhalb der ersten Grundfläche befestigen und anschließendes seitliches und längliches Ausrichten bezüglich des Substrats; und

- Anbringen und Befestigen der Glasfaser oder der Anordnung von Glasfasern in der Ausnehmung oder der Anordnung von Ausnehmungen, die in dem Substrat ausgebildet sind, um damit die Glasfaser oder die Anordnung der Glasfasern mit dem optischen Baustein oder den Anordnungen optischer Bausteine auszurichten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Glasfaser oder jede der Glasfasern in ihrer Ausnehmung durch klebende Einrichtungen befestigt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lotfüße mit Hilfe eines photolithographischen Verfahrens gebildet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gesteuerten Mengen des Lots unter Verwendung einer Maske auf das Substrat gedampft werden, wobei die Maske durch ein photolithographisches Verfahren gebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Substrat mit elektrischen Bausteinen ausgebildet ist, die elektrisch mit den Lotfüßen verbunden sind, um eine Verbindung der elektrischen Bausteine innerhalb der Blöcke der optischen Bausteine herzustellen.