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Technisches
Gebiet und Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Positionierung bzw.
Ausrichtung und Fixierung einer optischen Faser. Sie betrifft insbesondere
das Gebiet der integrierten Optik, wo die optischen Fasern Einrichtungen
sind, um Licht – in
integrierten optischen Bauteilen, oder von diesen ausgehend – zu koppeln
und zu entkoppeln. Noch genauer hat die Erfindung die Aufgabe des
Koppelns und Entkoppelns, wenn die integrierten optischen Bauteile
optische Mikroleiter umfassen. Aufgrund der relativ kleinen Dimensionen
der integrierten optischen Bauteile, insbesondere der Mikroleiter
und der optischen Fasern, ist es notwendig, mechanische Strukturen
zu benutzen, um eine relativ genaue Ausrichtung der beiden sich
gegenüberstehenden
Elemente zu realisieren.
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Das
Dokument FR-2 659 148 beschreibt ein Verbindungsverfahren zwischen
einer optischen Faser und einem optischen Mikroleiter. In diesem
Dokument wird ein einziger Träger
benutzt, nämlich
das Substrat, auf bzw. in dem der optische Mikroleiter realisiert
ist, und das einen Sitz umfasst, um die optische Faser gegenüber diesem
Mikroleiter auszurichten oder zu positionieren und zu fixieren.
Die in diesem Stand der Technik beschriebene Realisierungsart weist
einen ersten Nachteil auf, der darin besteht, dass nichts vorgesehen
ist, um das Beigeben des Klebstoffs zu erleichtern, sobald die Faser
in Position gebracht worden ist. Ein zweiter Nachteil betrifft das Ergreifen
der Faser und die Größe des Greifsystems: das
Ergreifen der Faser kann nur an dem oberen Halbzylinder erfolgen,
der durch den oberen Teil der Faser gebildet wird.
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Eine
andere bekannte Vorrichtung ist in den 1A (Draufsicht)
und 1B (Schnittansicht gemäß I-I der 1A)
dargestellt. Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen ein Substrat 2,
in das Rillen 4-1,..., 4-n geätzt sind, um n optische Fasern 8-1,..., 8-n
zu positionieren. Sobald eine Faser 8-1 in ihrer Rille
positioniert ist, wird ein Tropfen Klebstoff 10 auf die
genannte Faser getropft. Ein Quergraben 6 ist vorgesehen,
um zu verhindern, dass der Klebstoff sich über zwei Zonen 12, 14 beiderseits
des Grabens verteilt. Mit anderen Worten wird der Klebstoff in wenigstens
einer der beiden Zonen beigegeben, aber nicht in dem Graben. Es
ist in dieser Vorrichtung also nichts vorgesehen, um das Beigeben
des Klebstoffs zu erleichtern, nachdem die Faser positioniert worden
ist. Außerdem
kann auch bei einer solchen Struktur das Ergreifen der Faser nur
an einem Teil ihres oberen Halbzylinders erfolgen, und dies mit
einem Greifsystem von geringer Größe (das Problem des Platzbedarfs
des Greifsystems wurde nicht berücksichtigt).
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Ein
Dokument des Stands der Technik, "Patent abstracts of Japan", Vol. 004, Nr. 107
(P-021), 31. Juli 1980 &
Jp 55 065913 A (NIPPON
TELEGR & TELEPH
CORP), 17. Mai 1980, beschreibt eine Vorrichtung zur Positionierung
und Fixierung von N optischen Fasern, die ein Substrat mit N parallelen
Rillen umfasst, von denen jede eine optische Faser aufnimmt, und
von Gräben
mit senkrechter Richtung zu diesen Rillen, wobei die einen das Zuschneiden
bzw. Aufteilen (découpe)
des Substrats ermöglichen
und die anderen eine Ausgabe bzw. einen Ausfluss (émission)
von Haftsubstanz.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum genauen Positionieren bzw.
Ausrichten einer optischen Faser auf einem Substrat, eine verbessertes Anbringen
des Klebstoffs zwischen der Faser und dem Substrat und eine bessere
Fixierung der Faser während
der Positionierungs- und Klebungsoperationen.
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Noch
genauer hat die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausrichten und Fixieren
einer optischen Faser zum Gegenstand, die ein Substrat, eine Rille
zur Aufnahme der optischen Faser und wenigstens eine erste und eine
zweite Verbreiterung der Rille längs
einer Längsachse
dieser letzteren umfasst, wobei die Enden dieser Verbreiterungen
abgegrenzt sind.
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Die
eine oder die andere der Verbreiterungen der Rille ermöglicht,
den Klebstoff auf dem Boden der Fixierungsstruktur der Faser – bzw. auf
dem Substrat – anzubringen.
Diese Verbreiterung lässt
nämlich zwischen
der Faser und dem Substrat einen Raum frei, durch den der Klebstoff
vor oder nach der Positionierung der Faser in die Rille eindringen
kann. Die andere Verbreiterung ermöglicht, die Faser mit einem größeren Greifwerkzeug
zu ergreifen und zu handhaben, das die Faser über einen größeren Teil
ihres Umfangs ergreifen kann, als die bei den Vorrichtungen nach
dem Stand der Technik der Fall ist.
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In
der vorliegenden Beschreibung versteht man unter "Klebstoff" jede Substanz mit
haftender Wirkung zwischen der Oberfläche des Substrats und derjenigen
der Faser. Man kann zum Beispiel im Falle eines Substrats aus Silicium
und einer Faser aus Siliciumdioxid als Klebstoff einen Epoxydkleber
nennen.
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Die
Erfindung hat auch eine Vorrichtung zum Ausrichten und Fixieren
von N optischen Fasern zum Gegenstand, die ein Substrat und N parallele
Rillen umfasst, von denen jede zur Aufnahme einer optischen Faser
bestimmt ist und jede eine Längsachse und wenigstens
eine erste und eine zweite Verbreiterung längs ihrer Längsachse aufweist, wobei die
Enden dieser Verbreiterungen abgegrenzt sind.
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Im
Falle von N optischen Fasern entsprechen die Effekte, die man mit
der ersten und zweiten Verbreiterung erzielt, den oben beschriebenen.
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In
diesem zweiten Fall (mit einer Vielzahl optischer Fasern) kann die
erste Verbreiterung von wenigstens einer Rille mit der ersten Verbreitung
von wenigstens einer Nachbarrille kommunizieren.
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Ebenso
kann die zweite Verbreiterung von wenigstens einer Rille mit der
zweiten Verbreitung von wenigstens einer Nachbarrille kommunizieren.
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Die
Erfindung hat auch ein Verfahren zum Fixieren einer optischen Faser
auf einem Substrat einer Vorrichtung wie oben beschrieben zum Gegenstand,
das die folgenden Schritte umfasst:
- – Positionieren
der optischen Faser in der Rille des Substrats,
- – Festhalten
der Faser mit Hilfe eines Werkzeugs an wenigstens einem Punkt der
Faser, der sich in Höhe
einer der Verbreiterungen befindet,
- – Eingeben
einer Haftsubstanz in die andere Verbreiterung dieser selben Rille.
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Die
Erfindung hat auch diverse Werkzeuge zur Positionierung und Fixierung
einer Faser zum Gegenstand, die in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
benutzt werden können.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen noch besser aus der nachfolgenden
erläuternden
und nicht einschränkenden
Beschreibung von Realisierungsbeispielen hervor, bezogen auf die
folgenden beigefügten
Figuren:
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die 1A und 1B,
schon beschrieben, die eine Vorrichtung zur Positionierung einer
Vielzahl optischer Fasern nach dem Stand der Technik darstellen,
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die 2A und 2B zeigen
eine perspektivischen und geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Fixierung einer optischen Faser,
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die 3A und 3B sind
Beispiele von Fasergreifwerkzeugen,
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die 4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fixierung von
N optischen Fasern,
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die 5 zeigt
eine Vorrichtung, bei der erfindungsgemäße Fixierungseinrichtungen
von optischen Fasern vorgesehen sind,
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die 6 zeigt
ein die Fixierung der optischen Fasern betreffendes Detail der Vorrichtung
der 5.
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Detaillierte Beschreibung
von Realisierungsarten der Efindung
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Die 2A zeigt
eine erste Realisierungsart der Erfindung. In einem Substrat 20 wurde
eine Rille 22 realisiert. Wenigstens zwei Aussparungen 24, 26 definieren
Verbreiterungen der Rille 22. In einem nichtverbreiterten
Teil der Rille 22 hat diese letztere eine Breite, die im
Wesentlichen dem Durchmesser einer optischen Faser 28 entspricht,
die in ihr positioniert werden soll. Andererseits ist in den Verbreiterungszonen
wie zum Beispiel der Zone 26 zwischen den Innenrändern 30 des
Substrats 20 und der optischen Faser 28 ein Raum
ausgespart. Man kann zum Beispiel, nachdem man die optische Faser
provisorisch in der Rille 22 positioniert hat, ein großes Fasergreif-
und -fixierungswerkzeug in Höhe
einer der Verbreiterungen positionieren und dann den Klebstoff in die
andere Verbreiterung hineingeben, zwischen den Innenrändern des
Substrats und der optischen Faser. Auf diese Weise dringt der Klebstoff
besser unter dieser Faser vor. Zudem kann das Greifwerkzeug in die Verbreiterung
der Rille eindringen, was ermöglicht, die
Faser an einem größeren Oberflächenbereich
als nur dem durch ihren oberen Halbzylinder definierten festzuhalten.
Die 2B zeigt einen Schnitt der Vorrichtung der 2A gemäß der Achse
I-I. Diese 2B zeigt deutlich, dass dank
der Verbreiterung 26 die Faser 28 nicht nur an
ihrem oberen Halbzylinder (in 2B die
Linie AB) festgehalten werden kann, sondern auch an ihren Seitenflächen (in
der 2B die Linien AC und BD). Dies ermöglicht eine bessere
Fixierung während
der Klebeoperationen.
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Zwar
ermöglicht
die Erfindung, die Faser an einem größeren Teil ihrer Oberfläche festzuhalten,
ist jedoch nicht auf ein derartiges Festhalten beschränkt. Es
kann nämlich
ein Festhalten nur über
einen Teil der Linie AB genügen.
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Im
Rahmen dieses ersten Beispiels sind nur zwei Verbreiterungen längs der
Rille 22 dargestellt worden. Es kann auch eine größere Anzahl
Verbreiterungen vorgesehen werden, insbesondere um mehr Klebstoffeingabestellen
und/oder Fixierungspunkte für
ein großes
Greifwerkzeug zu erhalten.
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Zudem
können
die Verbreiterungen Enden aufweisen, die abgegrenzt oder abgeschlossen
sind (wie in den Figuren 2A und 2B),
oder auch nicht abgegrenzt sind. In Abhängigkeit von der Viskosität der verwendeten
Haftsubstanz oder des Klebstoffs kann es vorteilhaft sein, abgegrenzte
Verbreiterungen zu realisieren.
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Dies
ist insbesondere für
eine eher flüssige Substanz
der Fall.
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Zwei
Beispiele von verwendbaren Positionierungs- und Fixierungswerkzeugen
sind in den 3A und 3B dargestellt.
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Im
Falle der 3A wird die Faser 28 mit
Hilfe eines Greifwerkzeugs 21 fixiert, das einen Kopf 23 aufweist,
dessen Breite L größer ist
als der Durchmesser der Faser. Ein mit Saugeinrichtungen (nicht dargestellt
in der Figur) verbundener Saugkanal 25 ermöglicht,
die Faser 28 in dem Kopf 23 festzuhalten. Die
Faser wird zwischen zwei Backen 27, 37 festgehalten.
Dieses Werkzeug ermöglicht
eine Fixierung mittels des oberen Halbzylinders. Es können Varianten
dieses Werkzeugs realisiert werden, um auf eine Fläche unterhalb
des Halbzylinders zuzugreifen.
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Das
Werkzeug der 3B umfasst eine Heizspitze 29 und
eine Wachsschicht 31. Dieses Werkzeug ermöglicht eine
Fixierung auf einer Fläche, die
größer ist
als der obere Halbzylinder (der Linie AB). Die Loslösung des
Werkzeugs erfolgt anschließend
durch Heizen auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des
Wachses 31.
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Nun
wird in Verbindung mit der 4 eine andere
Realisierungsart der Erfindung beschrieben. In dieser Figur sind
N Rillen 34-1,..., 34-N in einem Substrat 32 vorgesehen.
Längs jeder
Rille sind wenigstens zwei Verbreiterungen 36-1,..., 36-N
und 38-1,..., 38-N vorgesehen. Für jede Rille
ist die Funktion jeder der beiden Verbreiterungen die gleiche wie oben
im Rahmen der ersten Realisierungsart beschrieben.
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Die
Verbreiterungen können
Enden aufweisen, die abgegrenzt oder abgeschlossen sind (wie in der 4)
oder auch nicht abgegrenzt sind. In Abhängigkeit von der Viskosität der verwendeten
Haftsubstanz oder des Klebstoffs kann es vorteilhaft sein, abgegrenzte
Verbreiterungen zu realisieren.
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Wenn
die Verbreiterungen miteinander kommunizieren, bilden sie einen
Graben, der an seinen Enden abgegrenzt oder abgeschlossen sein kann oder
auch nicht. Die Realisierung eines abgeschlossenen Grabens kann
sich hier wieder als vorteilhaft erweisen, je nach Viskosität oder Fluidität der verwendeten
Haftsubstanz.
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Außerdem können für jede Rille
mehr als nur zwei Verbreiterungen vorgesehen werden, um die Klebe-
und/oder Fixierungspunkte der Faser zu vervielfachen.
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Auch
hier ermöglichen
diese Verbreiterungen 38-1, 38-N, die Faser 40 mittels
einer Fläche
zu fixieren, die größer sein
kann als die auf ihren oberen Halbzylinder begrenzte, da ein Greifwerkzeug
in die Verbreiterungen eindringen kann. Ein solches Werkzeug kann
von dem oben in Verbindung mit den 3A und 3B beschriebenen
Typ sein. Ebenso ermöglichen
die Verbreiterungen 36-1, 36-N, das Anbringen
eines Klebstoffs zwischen den Fasern 40 und dem Substrat 32 zu
erleichtern. Die Positionierung und Fixierung der Fasern kann individuell
oder kollektiv erfolgen, mit entsprechenden Greifwerkzeugen und
Klebstoffspendeeinrichtungen.
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Auf
jeden Fall hängt
die Form der realisierten Ätzungen
(egal ob dies die Rille oder deren Verbreiterungen betrifft) sowohl
von dem Material, aus dem die Struktur ist, als auch von den angewendeten Ätzverfahren
ab. Im Falle eines Siliciumsubstrats kann man trocken oder naß oder isotrop
oder anisotrop ätzen.
Man kann auch Gießpolymere
verwenden, um eine Vorrichtung mit Rille(n) und Verbreiterungen)
zu realisieren.
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Die 5 zeigt
eine Vorrichtung, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Positionierungsstruktur
für optische
Fasern verwendet werden kann. Die dargestellte Vorrichtung ist eine
optisch-mechanische Vorrichtung. Sie umfasst eine plane Schicht bzw.
eine Leitstruktur 50 (die aus einer oder mehreren Schichten
bestehen kann), realisiert auf einem Substrat 52, zum Beispiel
aus monokristallinem Silicium, mit einer Eingangsseite E und einer
Ausgangsseite S, parallel zueinander und zum Beispiel durch Spaltung
realisiert. Die Leitstruktur 50 umfasst zum Beispiel eine
Pufferschicht 54 aus Siliciumdioxid (8 bis 12 μm dick) und
eine obere Schicht 56 aus Siliciumdioxid (2 bis 10 μm dick),
die bei bestimmten Anwendungen durch Luft ersetzt werden kann.
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Die
Leitstruktur umfasst auch einen Eingangsmikroleiter 58 und
zwei Ausgangsmikroleiter 60 und 62 aus Siliciumdioxid,
zum Beispiel phosphordotiert, die 2 bis 6 μm hoch und 2 bis 8 μm breit sind, sowie
einen Multimode-Koppler 64 mit im Wesentlichen derselben
Höhe (2
bis 6 μm)
und einer typisch zwischen 10 und 50 μm enthaltenen Breite. Die Mikroleiter 58, 60, 62 sind
parallel zu einer Richtung x, die ihrerseits parallel ist zu der
Hauptfläche 59 der planen
Schicht oder Leitstruktur 50, und sie befinden sich beiderseits
einer die Leitstruktur 50 durchquerenden Aussparung 66.
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Die
Aussparung 66 grenzt in der Leitstruktur 50 und
dem Substrat einen stationären
Teil und einen flexiblen Balken 68 ab, der im Ruhezustand
parallel ist zu der Richtung x. Dieser Balken kann sich in der Aussparung 66 in
einer Richtung y bewegen, die parallel zu der Oberfläche 59 der
Leitstruktur und senkrecht zu der Richtung x ist. Der Balken umfasst
ein mit dem stationären
Teil verbundenes festes Ende 70 und ein freies Ende 72,
das sich in der Aussparung 66 bewegen kann. In der Verlängerung
des Eingangsmikroleiters 58 erstreckt sich ein zentraler
Mikroleiter 74 über
die gesamte Länge
des Balkens 68, wobei sein Ende 76 an dessen Ende 72 mündet.
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Der
Mulitimodekoppler 64 steht dem Ende 76 des Mikroleiters 74 gegenüber. Unter "Multimodekoppler" versteht man einen
Koppler oder einen Multimodeleiter von mehreren Ausbreitungsmoden
oder mehreren Monomodeleitern.
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Die
Länge L
des Multimodekopplers 64 ist vorzugsweise so, dass – wenn ein
in den Eingangsquerschnitt des Kopplers einfallendes Lichtbündel I eine
Intensitätsverteilung
mit einem einzigen Maximum aufweist –, man ein Ausgangsbündel mit
N Maxima erhält,
mit N≥2.
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Die
Bedingungen zur Erlangung eines solchen Resultats bei Multimodekopplern
werden zum Beispiel durch die analytische Methode bestimmt, die beschrieben
wird in einem Artikel von R. Ulrich et al. mit dem Titel: "Self imaging in homogeneous
planar optical waveguides",
veröffentlicht
in Applied Physics Letters, Vol. 27, Nr. 6, 15. September 1975,
Seiten 337–339.
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Wenn
das System im Ruhezustand ist, das heißt wenn das Lichtbündel am
Eingang des Kopplers auf die Symmetrieachse dieses letzteren zentriert
ist, erhält
man am Ausgang N Maxima, symmetrisch verteilt in Bezug auf die Symmetrieachse
des Kopplers.
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Wenn
das Eingangslichtbündel
dezentriert ist, befindet sich die Intensitätsverteilung am Ausgang des
Kopplers im Ungleichgewicht.
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In
der Folge wird die Funktionsweise dieser Vorrichtung beschrieben.
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Eine
Strahlungsquelle (nicht dargestellt in der Figur) erzeugt ein optisches
Signal (zum Beispiel mit der Wellenlänge 0,78 μm), das dann durch eine optische
Eingangsfaser 57, den Mikroleiter 58 und dann 74 in
Richtung des Multimodekopplers 64 übertragen wird. Am Ausgang
dieses Letzteren übertragen
N Ausgangsleiter 60, 62 (N=2 in der 5)
die aus dem Koppler 64 austretende Strahlung in N optische
Fasern 78, 80, die ihrerseits mit N Fotodetektoren 82, 84 verbunden
sind. Jeder Ausgangsmikroleiter ist am Ausgang des Kopplers an einer
Stelle positioniert, wo sich ein Maximum bildet, wenn das Eingangslichtbündel sich
in einer auf den Eingang des Kopplers zentrierten Position befindet.
Jeder Detektor liefert ein Signal, das repräsentativ ist für das optische
Signal, das ihm durch die optische Faser geliefert wird, der er
zugeordnet ist. Schließlich
sind diese Detektoren mit Einrichtungen 86 zur Verarbeitung
der durch sie gelieferten Signale verbunden.
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Wenn
sich eine Vibration oder Beschleunigung ereignet, verschiebt sich
das freie Ende des Balkens
68 entsprechend der y-Richtung,
was die Verteilung der Strahlung am Ausgang des Multimodekopplers,
also der Strahlung, die durch die N Ausgangsleiter
60,
62 übertragen
wird, und folglich das Signal modifiziert, das die Detektoren
82,
84 erzeugen.
Die Verschiebung d
y ist mit der Beschleunigung y
der Vibration durch folgende Relation verknüpft:
wo f
0 die
natürliche
Resonanzfrequenz des Balkens
68 ist.
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Ein
Beispiel eines Herstellungsverfahrens einer solchen Vorrichtung
umfasst die folgenden Schritte:
- – einen
Schritt zur Bildung der Schicht 54, zum Beispiel durch
thermische Oxidation des Substrats 52,
- – das
Abscheiden einer SiO2-Schicht durch LPCVD
oder PECVD, die man zum Beispiel mit Phosphor dotiert,
- – einen
Schritt zur Realisierung zum Beispiel (durch Photolithographie)
einer Maske aus positivem Resist, die die Zonen maskiert, die bestimmt sind
zur Bildung der Mikroleiter 74, 60, 62 und
des Multimodekopplers 64 (oder der gekoppelten Monomodeleiter),
- – einen
Schritt zum anisotropen Ätzen
(des Typs Reaktives Ionenätzen),
durch die Maske hindurch ausgeführt,
um die Mikroleiter und den Multimodekoppler zu erhalten; die Maske
wird anschließend
mit einem Sauerstoffplasma eliminiert,
- – einen
Schritt zum Abscheiden der Schicht 56 durch LPCVD oder
PECVD,
- – einen
Schritt zur Realisierung einer weiteren Maske (wie oben), um den
Balken 68 freizulegen,
- – einen
Schritt zum anisotropen Ätzen
des Typs Reaktives Ionenätzen
mit zum Beispiel CHF3, wobei dieser Schritt
ermöglicht,
die Schichten 54 und 56 gleichzeitig zu ätzen, um
den Balken und die Verbindungs- bzw. Anschlusszonen zu definieren,
- – einen
Schritt zum anisotropen Ätzen
(Reaktives Ionenätzen
mit zum Beispiel SF6) des Siliciumsubstrats 52,
indem man dieselbe Maske benutzt, um den Balken von dem Substrat
frei zu machen, aber auch die Realisierung der Zonen für den Anschluss
der optischen Fasern 78, 80 zu beenden.
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Die
so definierten Verbindungs- bzw. Anschlusszonen entsprechen der
Rille zur Aufnahme der optischen Fasern. Wie in der 6 dargestellt (die
nur einen einzigen der Ausgangsleiter und die entsprechende optische
Faser zeigt), kann die für
die Faser 78 vorgesehene Verbindungszone 90 außerdem an
bestimmten Stellen 90a, 90b, 90c, 90d erfindungsgemäß verbreitert
sein, um das Beigeben des optischen Klebstoffs zu erleichtern und
das Fixieren der Fasern zu ermöglichen.
Die Verbreiterungen 90a–90d werden gleichzeitig
mit der Verbindungszone 90 realisiert. Dies kann bei der
Verbindungszone von jeder der Fasern 57, 78, 80 Anwendung
finden.