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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine optische Wellenleitervorrichtung und ein
Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere eine optische Wellenleitervorrichtung,
die eine einfache Justage und Ausrichtung zueinander von Siliziumsubstraten
und einem optischen Wellenleitersubstrat in ihrer optimalen relativen
Positionsbeziehung durch passive Ausrichtung ermöglicht, sowie ein Verfahren
zu deren Herstellung.
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Ein
Beispiel des Standes der Technik wird im folgenden mit Bezug auf 1A, 1B, 1C und 2 beschrieben.
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In 1A ist
an einer Seitenoberfläche
eines allgemein rechteckigen optischen Wellenleitersubstrats 10S,
wie aus einem Siliziumkristall geschnitten, z.B. eine Mantelschicht 3 gebildet,
in die ein Y-förmiger optischer
Wellenleiter 2 eingebettet ist. Die Zweigleitungen 2a und 2b des
optischen Wellenleiters 2 schließen an Endflächen ab,
die eine Endoberfläche des
optischen Wellenleitersubstrats 10S schneiden, während die
Zweigleitung 2c des optischen Wellenleiters 2 an
einer Endfläche
abschließt,
die die entgegensetzte Endoberfläche
des optischen Wellenleiters 10S schneidet.
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Bezogen
auf 1B sind an der Oberfläche 5As eines allgemein
rechteckigen Substrats 5A aus Silizium mit einer V-Nut
zwei Nuten 5a, 5b mit V-förmigen Querschnitten gebildet
(die im folgenden als V-Nut bezeichnet werden), wobei die zwei Nuten
zueinander und zu den Seitenrändern
des Substrats 5A parallel sind. An einem anderen in 1C gezeigten V-Nut-Substrat 5B ist
an dessen Oberfläche 5Bs eine einzelne
V-Nut 5c parallel zu den Seitenrändern des Substrats 5B gebildet.
Es ist bekannte Praxis, V-Nuten 5a, 5b, 5c durch Ätzen der
Oberflächen
der aus einem Silizium-Einkristall
geschnittenen Substrate 5A, 5B zu erzeugen. Wie
in 2 gezeigt, werden optische Fasern 8a, 8b und 8c in
den jeweiligen V-Nuten 5a, 5b und 5c der
V-Nut-Substrate 5A und 5B so positioniert und
fixiert, dass ihre Endflächen bündig mit
den Endflächen 5Aa und 5Ba der
entsprechenden V-Nut-Substrate 5A und 5B sind
oder geringfügig
darüber
vorspringen. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand
zwischen den zwei V-Nuten 5a und 5b ist gleich
dem zwischen den äußeren Enden
der zwei Zweigleitungen 2a und 2b des Y-förmigen optischen Wellenleiters 2.
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Wie
oben festgestellt, werden das optische Wellenleitersubstrat 10S mit
dem darin gebildeten optischen Wellenleiter 2 und die V-Nut-Substrate 5A und 5B mit
daran befestigten optischen Fasern 8a, 8b und 8c getrennt
hergestellt, und dann werden die V-Nut-Substrate 5A und 5B durch
eine (nicht dargestellte) Ausrichtvorrichtung in den Richtungen
wie durch die Pfeile in 2 angezeigt so verschoben, dass
die Endflächen
der optischen Fasern 8a, 8b und 8c den
Endflächen
der jeweiligen optischen Zweigleitungen 2a, 2b und 2c gegenüberliegen,
während
die Substrate 5A und 5B sowohl transversal als
auch vertikal justiert werden, so dass die Mitten der Kerne der
optischen Fasern 8a, 8b und 8c auf die
Mitten der Enden der entsprechenden Zweigleitungen 2a, 2b und 2c des
optischen Wellenleiters ausgerichtet werden, wonach die Substrate
zu einer integralen Einheit verbunden werden. Wenn die Substrate
verbunden werden, um eine integrale Einheit zu bilden, wird ein Lichtstrahl
in die an dem linken V-Nut-Substrat 5B befestigte optische
Faser 8c eingegeben. Bevor die Substrate ausgerichtet aneinander
befestigt werden, werden die drei Substrate auf ihre optimale relative Positionsbeziehung
justiert, während
die Menge des Lichts überwacht
wird, das über
den optischen Wellenleiter 2 des optischen Wellenleiters 2 in
die zwei optischen Fasern 8a, 8b eingegeben wird,
die am rechten V-Nut-Substrat 5B befestigt sind. Als aktive Ausrichtung
ist bekannt, die Substrate auf ihre optimale relative Positionsbeziehung
zu justieren und dabei die Menge des übertragenen Lichtes zu überwachen.
Eine solche aktive Ausrichtung umfasst jedoch nicht das Setzen von
Ausrichtmarken an dem optischen Wellenleitersubstrat 10S und
den V-Nut-Substraten 5A, 5B, um die exakte relative
Positionsbeziehung sicherzustellen.
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Ein
Beispiel der herkömmlichen
optischen Wellenleitervorrichtung ist z.B. in der japanischen Patentveröffentlichung
7-69497 offenbart. Auch bei diesem Beispiel zum Stand der Technik
ist erforderlich, dass das optische Wellenleitersubstrat und die
mit V-Nuten versehenen Siliziumsubstrate zum Befestigen von optischen
Fasern separat hergestellt werden, und dass die Substrate vor dem
Verbinden und Befestigen der Substrate aneinander auf ihre optimale
relative Positionsbeziehung justiert werden. Bei diesem Beispiel
ist jedoch zu beachten, dass Ausrichtmarken am optischen Wellenleitersubstrat
angebracht werden, während
entsprechend Referenzmarken an den Siliziumsubstraten angebracht
werden, um bei der Justage der Substrate auf ihre optimale relative
Positionsbeziehung zu helfen. Beim Justieren der Substrate auf ihre
optimale relative Positionsbeziehung ist als passive Ausrichtung
bekannt, ihre relative Positionsbeziehung auf einfache Weise mit Hilfe
von Ausricht- und Referenzmarken zu justieren, ohne die übertragene
Lichtmenge zu überwachen.
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Wie
oben diskutiert, wird die aktive Ausrichttechnik, die das Justieren
der Substrate auf ihre optimale relative Positionsbeziehung in Ausrichtung
aufeinander bei gleichzeitiger Überwachung
der übertragenen
Lichtmenge beinhaltet, eingesetzt, um eine optische Wellenleitervorrichtung
zusammenzubauen. Zwar gewährleistet
dieses Verfahren, dass der Ausrichtprozess exakt durchgeführt wird,
doch es erfordert nicht nur einen komplizierten Ausrichtprozess, um
die optimale Position zu suchen, sondern auch eine längere Zeit
für die
Durchführung
des Ausrichtprozesses.
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Eine
optische Wellenleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 ist bekannt aus EP-A-0 649 039. Eine ähnliche optische Wellenleitervorrichtung
ist offenbart in EP-A-0 864 893 (Stand der Technik nach Art. 54(3)EPÜ).
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der Erfindung ist, eine optische Wellenleitervorrichtung, die
eine bequeme Justage und eine Ausrichtung von Vorrichtungssubstraten
und optischem Wellenleitersubstrat aufeinander in ihrer optimalen
relativen Positionsbeziehung durch Verwendung der passiven Ausrichttechnik
anstatt der aktiven Ausrichttechnik ermöglicht, sowie ein Verfahren zu
deren Herstellung zu schaffen.
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Dieses
Ziel wird erreicht durch eine optische Wellenleitervorrichtung nach
Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch
15. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
abhängigen
Ansprüche.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine perspektivische Ansicht des Substrats der herkömmlichen
optischen Wellenleitervorrichtung mit darin gebildetem optischen
Wellenleiter;
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1B ist
eine perspektivische Ansicht des V-Nut-Substrats zum Montieren von
zwei optischen Fasern bei der herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtung;
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1C ist
eine perspektivische Ansicht des V-Nut-Substrats zum Montieren einer
optischen Faser bei der herkömmlichen
optischen Wellenleitervorrichtung;
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2 ist
eine perspektivische Darstellung, die den Prozess des Zusammenfügens der
drei in 1A, 1B und 1C gezeigten
Substrate veranschaulicht;
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3A ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Wellenleiters und des
einen optischen Wellenleiterteiler bildenden Substrats gemäß dieser Erfindung;
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3B ist
eine perspektivische Ansicht des aus zwei V-Nut-Substratabschnitten
und einem Montagesubstratabschnitt zusammengesetzten Vorrichtungssubstrats
bei der vorhergehenden Ausgestaltung;
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3C ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung der Erfindung in
Form eines optischen Wellenleiterteilers in zusammengebautem Zustand;
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4A ist
eine Skizze, die den ersten Schritt des Erzeugens von Ausrichtmarken
für den
optischen Wellenleiter und das Substrat veranschaulicht;
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4B ist
eine Skizze, die den zweiten Schritt des Erzeugens von Ausrichtmarken
für den optischen
Wellenleiter und das Substrat veranschaulicht;
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4C ist
eine Skizze, die den dritten Schritt des Erzeugens von Ausrichtmarken
für den
optischen Wellenleiter und das Substrat veranschaulicht;
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4D ist
eine Skizze, die den vierten Schritt des Erzeugens von Ausrichtmarken
für den optischen
Wellenleiter und das Substrat veranschaulicht;
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4E ist
eine Skizze, die den fünften Schritt
des Erzeugens von Ausrichtmarken für den optischen Wellenleiter
und das Substrat veranschaulicht;
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4F ist
eine Skizze, die den sechsten Schritt des Erzeugens von Ausrichtmarken
für den optischen
Wellenleiter und das Substrat veranschaulicht;
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4G ist
eine Skizze, die den siebten Schritt des Erzeugens von Ausrichtmarken
für den optischen
Wellenleiter und das Substrat veranschaulicht;
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5A ist
eine Perspektive eines optischen Wellenleiterchips, der ein optisches
Sende-/Empfangsmodul
in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bildet;
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5B ist
eine perspektivische Ansicht des Vorrichtungssubstrats in der Ausgestaltung
von 5A;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Sende-/Empfangsmoduls,
das durch Montieren des optischen Wellenleiterchips aus 5A auf
dem Vorrichtungssubstrat von 5B gebildet ist;
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7A ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Wellenleiterchips,
der ein optisches Sende-/Empfangsmodul in einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung bildet;
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7B ist
eine Draufsicht auf den in 7A gezeigten
optischen Wellenleiterchip;
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7C ist
eine perspektivische Ansicht des Vorrichtungssubstrat in der Ausgestaltung
von 7A; und
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8 ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Sende-/Empfangsmoduls,
das durch Zusammenfügen
des optischen Wellenleiterchips von 7A und
des Vorrichtungssubstrats von 7C gebildet
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf 3A, 3B und 3C beschrieben. 3A und 3B sind
auseinander gezogene perspektivische Ansichten eines optischen Wellenleiterteilers
in Form einer optischen Wellenleitervorrichtung; bei der die optischen
Fasern entfernt sind, während 3C eine
perspektivische Ansicht des optischen Wellenleiterteilers im zusammengebauten
Zustand mit optischen Fasern ist.
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Wie
in 3A gezeigt, sind eine Mantelschicht 3 und
ein Y-förmiger
optischer Wellenleiter 2 mit Zweigleitungen 2a, 2b und 2c auf
der Oberfläche eines
aus einem Silizium-Einkristall geschnittenen allgemein rechteckigen
optischen Wellenleitersubstrat 10S durch die bekannte Ätztechnik
und Schichtbildungstechnik gebildet, um einen optischen Wellenleiterchip 10 zu
schaffen. Zusätzlich
sind Ausrichtmarken 4a, 4b an oder in der Mantelschicht 3 an
gegenüberliegenden
Seiten der Zweigleitung 2a zu der Endoberfläche 10b des
Substrats 10S hin gebildet. Die Endflächen der Zweigleitungen 2a, 2b liegen
in einer Endoberfläche 10a des
Substrats 10S, während
die Endfläche
der Zweigleitung 2c in der dieser einen Endoberfläche gegenüberliegenden
Endoberfläche 10b des
Substrats 10S liegt.
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Wie
in 3B gezeigt, ist ein aus einem Silizium-Einkristall
geschnittenes, im wesentlichen rechteckiges Vorrichtungssubstrat 5 mit
zwei voneinander beabstandeten Kerbnuten 5d, 5e gebildet,
die sich senkrecht zur Länge
des Vorrichtungssubstrats 5 erstrecken, so dass sie dessen
Oberfläche
in drei Regionen teilen und dadurch zwei V-Nut-Substratabschnitte 5A, 5B,
getrennt durch einen Montagesubstratabschnitt 5C, definieren.
Wie man sieht, liegen die Oberseiten (drei Regionen) der Substratabschnitte 5A, 5B und 5C in
derselben Ebene, die im Folgenden als eine Referenzebene 5s bezeichnet
wird. Die Kerbnuten 5d, 5e sind vorab gebildet,
um sicherzustellen, dass die V-Nuten 5a, 5b und 5c,
die anschließend
durch Ätzen
gebildet werden, benachbart zu ihren inneren Enden keine ungenügend geätzten seichten
Abschnitte haben. Zwei Nuten 5a, 5b (V-Nuten)
mit V-förmigem
Querschnitt und eine V-Nut 5c sind an den Oberflächen der
V-Nut-Substratabschnitte 5A und 5B jeweils durch
die bekannte Ätztechnik gebildet,
so dass sie sich von entgegengesetzten Längsenden des Vorrichtungssubstrats 5 senkrecht bis
in Verbindung mit den Kerbnuten 5d und 5e erstrecken.
Zusätzlich
sind Ausrichtmarken 4a', 4b' an der Oberfläche des
Montagesubstratabschnitts 5C gebildet.
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Dann
wird der optische Wellenleiterchip 10 umgewendet und auf
dem Montagesubstratabschnitt 5C platziert. Der optische
Wellenleiterchip 10 wird präzise in Bezug auf die V-Nut-Substratabschnitte 5A, 5B platziert,
so dass die Ausrichtmarken 4a', 4b' auf dem Montagesubstratabschnitt 5C den
entsprechenden Ausrichtmarken 4a, 4b auf dem optischen Wellenleitersubstrat 10S passerhaltig überlagert sind,
gefolgt von einem Verbinden des optischen Wellenleiterchips 10 mit
dem Wellenleitersubstrat 10S. Anschließend werden optische Fasern 8a, 8b und 8c an
den entsprechenden V-Nuten 5a, 5b und 5c befestigt,
so dass die Endflächen
der Fasern den Endflächen
der jeweiligen optischen Zweigleitungen 2a, 2b und 2c,
die den optischen Wellenleiter 2 umfassen, gegenüberliegen,
um eine optische Wellenleitervorrichtung, wie in 3C gezeigt,
zu konstruieren. Es versteht sich, dass dies die Konstruktion einer optischen
Wellenleitervorrichtung ermöglicht,
bei der die Mitte der optischen Fasern 8 exakt auf die
Mitte des optischen Wellenleiters 2 ausgerichtet ist.
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Die
Positionsbeziehung zwischen den Mitten der optischen Zweigleitungen 2a, 2b und 2c und
den Ausrichtmarken 4a, 4b ist vorab mit hoher
Genauigkeit eingestellt, und die Positionsbeziehung zwischen den
Mitten der Ausrichtmarken 4a', 4b' und den V-Nuten 5a, 5b und 5c ist
vorab mit hoher Genauigkeit eingestellt, um eine exakte Ausrichtung
zwischen den Mitten der Enden der optischen Zweigleitungen 2a, 2b, 2c und
den Mitten der an den V-Nuten 5a, 5b und 5c befestigten
optischen Fasern 8a, 8b und 8c zu gewährleisten.
Die optischen Fasern haben einen gleichförmigen Durchmesser, während die
V-Nuten einen gleichförmigen Öffnungswinkel
haben, so dass die Höhe
der Mitte einer jeden optischen Faser über der Substrat-Referenzebene 5s auf
eine beliebige Höhe
zwischen einem positiven Wert, der kleiner als der Radius der optischen
Faser ist, und einem nega tiven Wert eingestellt werden kann.
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Die
sequenziellen Schritte des Herstellens des optischen Wellenleiterchips 10 werden
nun mit Bezug auf 4A bis 4G beschrieben.
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In
dem in 4A gezeigten Schritt wird eine Unter-Mantelschicht 31 auf
der Oberfläche
eines aus einem Silizium-Einkristall geschnittenen optischen Wellenleitersubstrats 10S gebildet.
Polyamid kann als ein Beispiel des Materials dienen, aus dem die Unter-Mantelschicht 31 gebildet
wird. Die Polyamidschicht kann vorbereitet werden durch Mischen
mehrerer Arten von Polyamidlösungen
in geeigneten Verhältnissen
und Auftragen des Gemischs auf das Substrat, bevor dieses kalziniert
wird. Die Dicke der Unter-Mantelschicht ist zu Darstellungszwecken
stark übertrieben;
tatsächlich
ist sie äußerst dünn, etwa
in der Größenordnung
von 15 Mikrometer zusammen mit einer Über-Mantelschicht 31', die später beschrieben wird. Metallfilme 31,
die später
Ausrichtmarken 4 werden sollen, werden auf der Oberfläche der
Unter-Mantelschicht 31 an vorgegebenen Positionen erzeugt.
Titan oder CrAu können
als Beispiele für
das Material, aus dem die Metallfilme 32 gebildet werden
können,
dienen.
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In 4B wird
eine Schicht 23 aus Polymermaterial, die später ein
optischer Wellenleiter 2 werden soll, auf der gesamten
Oberfläche
der die Metallfilme 32 enthaltenden Unter-Mantelschicht 31 gebildet.
Die Polymermaterialschicht 23 kann zwar speziell aus Polyamid
gebildet sein, doch hat sie eine solche Zusammensetzung, dass sie
einen höheren
Brechungsindex als den der Unter-Mantelschicht 31 aufweist,
und die Dicke der Schicht kann z.B. in der Größenordnung von 7 Mikrometer
liegen. Ein Muster 2', 4a'', 4b'' für den optischen
Wellenleiter 2 und die Ausrichtmarken 4a, 4b wird
auf der Oberfläche
der Polymermaterialschicht 23 gebildet.
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In
dem Schritt von 4C wird das Polymermaterial 23 durch
die Reaktivionen-Ätztechnik
(RIE) entfernt. Das Reativionen-Ätzen
RIE wirkt nicht auf die Metallfilme 32.
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Der
in 4D gezeigte Schritt dient zum Entfernen der verbleibenden
Muster 2' und 4a'', 4b'', die
Metallfilme sind, sowie derjenigen Abschnitte der Metallfilme 32,
die frei liegen, wodurch der optische Wellenleiter 2 und
die Ausrichtmarken 4a, 4b, die beide aus Polymermaterial
bestehen, erzeugt werden.
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In
dem Schritt der 4E wird eine Über-Mantelschicht 31' über der
gesamten Oberfläche
der die gebildeten Muster enthaltenden Unter-Mantelschicht 31 gebildet.
Das Material für
die Über-Mantelschicht 31' hat die gleiche
Zusammensetzung wie das Material, aus dem die Unter-Mantelschicht 31 gebildet
ist, z.B. Polyamid. Die Über-Mantelschicht 31' kann vorbereitet
werden durch Mischen mehrerer Arten von Polyamidlösungen in
geeigneten Verhältnissen
und Auftragen des Gemischs auf die Oberfläche, gefolgt von Kalzinieren.
Die Über-Mantelschicht 31' bildet zusammen
mit der Unter-Mantelschicht 31 eine
Mantelschicht 3, die den optischen Wellenleiter 2 umgibt
und einen niedrigeren Brechungsindex als den des optischen Wellenleiters 2 hat.
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In
dem in 4F gezeigten weiteren Schritt wird
auf der Über-Mantelschicht 31' ein Y-förmiges Muster
aus Metallfilm 33 gebildet, um den optischen Wellenleiter 2 (optische
Zweigleitungen 2a, 2b, 2c) zu überdecken.
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In
dem Schritt von 4G werden die Abschnitte der Über-Mantelschicht 31' mit Ausnahme derjenigen
Abschnitte, die unter dem Metallfilm 33 liegen, die Unter-Mantelschicht 31 und
die Abschnitte der Polymermaterialschicht 23 über den
Ausrichtmarken 4a, 4b durch RIE entfernt, um die
Oberflächen
der Ausrichtmarken und das optische Wellenleitersubstrat 10S freizulegen.
Die unter dem Metallfilm 33 verbleibende Über-Mantelschicht 31' und die Unter-Mantelschicht 31 entsprechen
der Mantelschicht 3.
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Während der
Metallfilm 33 in 4G als
verbleibend dargestellt ist, kann und wird er üblicherweise entfernt. Außerdem kann,
während
in dem Beispiel der 4A bis 4G das
Muster der Über-Mantelschicht 31' in Form eines
Y dargestellt ist, so dass es zu dem Y-förmigen optischen Wellenleiter 2 passt,
die Über-Mantelschicht 31' auf der gesamten
Oberfläche
des Substrats 10S wie ursprünglich geformt zurückbleiben,
wie in 3A gezeigt. In diesem Fall werden
die Schritte der 4F und 4G weggelassen.
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Wie
man aus dem oben Gesagten erkennt, kann die relative Positionsbeziehung
zwischen dem optischen Wellenleiter 2 und den Ausrichtmarken 4a, 4b exakt
definiert werden, indem der optische Wellenleiter 2 und
die Ausrichtmarken 4a, 4b in einem einzigen Maskenmuster
(Muster 2', 4a'', 4b'' in 4B und 4C)
erzeugt werden. So kann eine hochgenaue Ausrichtung erreicht werden.
Unter Berücksichtigung
der Anforderung, dass die Ausrichtmarken 4, die Metallfilme
sind, beim Erzeugen der Schicht 23, die zu einem optischen
Wellenleiter 2 werden soll, weder verdampft noch oxidiert
werden dürfen,
kann das Material, aus dem die Schicht 23 gebildet wird,
vorzugsweise ein Polymermaterial sein, das mit einer niedrigen Verarbeitungstemperatur
unterhalb 400°C
bearbeitet werden kann. In diesem Zusammenhang sollte beachtet werden,
dass wenn ein Versuch unternommen wird, einen optischen Wellenleiter
aus Quarz durch Flammenabscheidungsprozess herzustellen, ein solcher
Wellenleiter normalerweise nicht auf der Unter-Mantelschicht 31 verbleiben
dürfte,
da die Verarbeitungstemperatur des Quarz 1000°C übersteigt. Es ist selbstverständlich,
dass das Material, aus dem die Unter-Mantelschicht 31 gebildet
ist, bei einer so hohen Verarbeitungstemperatur wie 1000°C ausgebrannt
würde.
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Mit
Bezug auf 5A, 5B und 6 wird
im folgenden ein optisches Sende-/Empfangsmodul gemäß einer
anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Wellenleitervorrichtung beschrieben.
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Zunächst wird
mit Bezug auf 5A in dieser Ausgestaltung eine
Mantelschicht 3 auf einem optischen Wellenleitersubstrat 10S gebildet,
die sowohl in der Breite als auch der Länge größer als die Mantelschicht ist
und eine zu einer Endoberfläche des
Substrats 10S bündige
Endfläche
hat, so dass Randflächen
auf dem Substrat an dem anderen entgegengesetzten Ende und den entgegengesetzten Seiten
der Mantelschicht 3 zurückbleiben.
Eine Endfläche
der optischen Zweigleitung 2a liegt in der Mitte der Endoberfläche der
mit der Endoberfläche
des optischen Wellenleitersubstrats 10S bündigen Endoberfläche der
Mantelschicht 3, während
die Endflächen
der Zweigleitungen 2a, 2b in der entgegengesetzten
Endoberfläche
der Mantelschicht liegen. Bei dieser Ausgestaltung sind eine Laserdiode 9 und eine
Fotodiode 15 den Endflächen
der Zweigleitungen 2a und 2b gegenüber angeordnet,
wobei ihre einen Elektroden jeweils auf Elektroden 11a und 11b platziert
sind, die jeweils auf dem Substrat 10S gebildet sind. Ausrichtmarken 4a, 4b, 4c und 4d sind
auf dem Substrat 10S an vier Ecken einer die Anordnung von
Mantelschicht 3, Laserdiode 9 und Fotodiode 15 umgebenden
Fläche
gebildet. Ferner sind auf dem Substrat 10S außerhalb
der Ausrichtmarkierungen 4c und 4d Elektroden 11c und 11d gebildet,
die mit den anderen Anschlüssen
der Laserdiode 9 bzw. der Fotodiode 15 drahtgebondet
sind.
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Jede
der Elektroden 11a und 11b hat die Form eines
H mit zwei durch eine Brücke
miteinander verbundenen Kontaktfeldern, wobei eines der Kontaktfelder
innerhalb einer imaginären
Erweiterung der jeweils entsprechenden Seitenkante unter den entgegengesetzten
Seitenkanten der Mantelschicht 3 positioniert ist, während das
andere Kontaktfeld außerhalb
einer imaginären
Erweiterung der jeweils entsprechenden Seitenkante unter den entgegengesetzten
Seitenkanten der Mantelschicht 3 positioniert ist. Die
Laserdiode 9 und Fotodiode 15 sind auf den inneren
Kontaktfeldern der Elektroden 11a und 11b platziert
und mit diesen verbunden. Die Kontaktfelder der Elektroden 11c und 11d sind
außerhalb
der imaginären
Erweiterungen der entgegengesetzten Seitenränder der Mantelschicht 3 positioniert
und haben Anschlüsse,
die sich von dort ins Innere der imaginären Erweiterungen erstrecken.
Wie man sieht, kann die Positionsbeziehung zwischen den diversen
Teilen, die an dem optischen Wellenleitersubstrat 10S befestigt
und gebildet sind, und den Ausrichtmarken 4a–4b exakt
eingestellt und definiert werden.
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Als
nächstes
wird mit Bezug auf 5B ein im wesentlichen rechteckiges
Substrat 5, das in Breite und Länge größer als das optische Wellenleitersubstrat 10S ist,
an seiner oberen Oberfläche
mit einer Kerbnut 5e versehen, die sich quer zur Länge des Substrats 5 erstreckt,
um dessen Länge
in zwei Abschnitte zu unterteilen und dadurch einen Montagesubstratabschnitt 5C und
einen V-Nut-Substratabschnitt 5B zu
schaffen. Wie im Fall von 3B ist
auf dem V-Nut-Substratabschnitt 5B eine V-Nut 5c gebildet,
die sich von der Mitte von dessen Endfläche bis in Verbindung mit der
Kerbnut 5e erstreckt. An der oberen Oberfläche des
Montagesubstratabschnitts 5C ist eine Aussparung 12 gebildet,
die sich von der der Kerbnut 5e gegenüberliegenden Endfläche des Abschnitts
bis in Verbindung mit der Kerbnut 5e erstreckt, so dass
Bänke 5Ca, 5Cb auf
entgegengesetzten Seiten der Aussparung bestehen bleiben. Die Breite
der Aussparung 12 ist bemessen, um die Mantelschicht 3 unterzubringen.
Auf den oberen Oberflächen
der Bänke 5Ca, 5Cb sind
Ausrichtmarken 4a', 4b', 4c' und 4d' entsprechend
den in 5A gezeigten Ausrichtmarken 4a, 4b, 4c und 4d gebildet.
Außerdem
sind an den oberen Oberflächen
der Bänke 5Ca, 5Cb H-förmige Elektroden 11a', 11b', 11c' und 11d' gebildet, die
innere Kontaktfelder, die unterhalb des Substrats 10S zu
liegen kommen, und äußere Kontaktfelder
haben, die außerhalb
des Substrats positioniert sein werden. Auf den inneren Kontaktfeldern
sind Löthöcker 13 gebildet.
Beim Zusammenbau werden die Mantelschicht 3 und die Laserdiode 9 und
die Fotodiode 15, die von der Oberfläche des optischen Wellenleitersubstrats 10S überstehen, sämtlich in
der Aussparung 12 aufgenommen.
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Nachdem
die Laserdiode 9 und die Fotodiode 15 auf dem
optischen Wellenleitersubstrat 10S wie oben mit Bezug auf 5A beschrieben
montiert worden sind, wird der resultierende optische Wellenleiterchip 10 gewendet
und auf dem in 5B beschriebenen Montagesubstratabschnitt 5C mit
Bezug auf die Ausrichtmarken 4a' bis 4d' in Position gebracht, um eine
Anordnung wie in 6 gezeigt zu bilden. Dann wird
die gesamte Anordnung erhitzt, während
das Substrat 10S gegen den Montagesubstratabschnitt 5G gedrückt wird,
um sie mit Hilfe der Löthöcker 13 zu
verbinden. Ferner werden Lücken (Aussparung 12)
zwischen dem optischen Wellenleiterchip 10 und dem Montagesubstratabschnitt 5C mit Harz
gefüllt,
um die montierte Laserdiode 9 und Fotodiode 15 zu
schützen.
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Mit
Bezug auf 7A, 7B, 7C und 8 wird
nachfolgend ein optisches Sende-/Empfangsmodul nach einer weiteren
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen
Wellenleitervorrichtung beschrieben.
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Auf
dem Gebiet der optischen Kommunikation gibt es Pläne, sowohl
bidirektionale digitale Kommunikationen über Signallicht mit einer Wellenlänge von
1,31 Mikrometer als auch analoge Ausstrahlung von Bildern über Signallicht
mit einer Wellenlänge von
1,55 Mikrometer in einer einzigen optischen Faser zu ermöglichen.
Ein Endgerät,
das konstruiert ist, um solches Signallicht zu verwenden, würde ein
bidirektionales Kommunikationsmodul brauchen, das in der Lage ist,
die Signallichter mit den Wellenlängen 1,31 Mikrometer und 1,55
Mikrometer über
einen Filter zu trennen, wo nur das Signallicht von 1,31 Mikrometer
in die Laserdiode 9 und die Fotodiode 15 eingespeist
wird, während
das Signallicht von 1,55 Mikrometer in einen (nicht dargestellten)
Bildempfänger eingespeist
wird.
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Bei
der Ausgestaltung der 7A, 7B, 7C und 8 ist
ein einziges Siliziumsubstrat 5 in drei Regionen unterteilt,
einen zentralen Montagesubstratabschnitt 5C und zwei V-Nut-Substratabschnitte 5A, 5B auf
entgegengesetzten Seiten des Montagesubstratabschnitts 5C,
wie bei der Ausgestaltung der 3A, 3B, 3C.
An der oberen Oberfläche
des Montagesubstratabschnitts 5C ist eine Aussparung 12 geätzt, die
sich von der Kerbnut 5d bis in Verbindung mit der Kerbnut 5e erstreckt,
um Bänke 5Ca, 5Cb auf
entgegengesetzten Seiten der Aussparung wie bei der Ausgestaltung
der 5B zu definieren. Der V-Nut-Substratabschnitt 5A ist
mit einer V-Nut 5a versehen und kann an seiner oberen Oberfläche mit
Elektroden 11a, 11b versehen sein, an denen optoelektronische
Elemente (wie etwa Laserdiode 9 und Fotodiode 15)
montiert sein können. Mit
Bezug auf 7A ist auf einem optischen Wellenleitersubstrat 10S eine
Mantelschicht 3 mit einem darin eingebetteten optischen
Wellenleiter 2 gebildet. Der optische Wellenleiter 2 umfasst
in dieser Ausgestaltung einen geraden optischen Wellenleiterpfad 2D zum Übertragen
von Signallicht mit einer Wellenlänge von 1,31 Mikrometer und
Signallicht mit einer Wellenlänge
von 1,55 Mikrometer sowie optische Zweigleitungen 2a, 2b, 2c,
die einen Y-förmig
verzweigten optischen Wellenleiterpfad 2Y zum Übertragen
von Signallicht mit einer Wellenlänge von 1,31 Mikrometer bilden.
Die Enden des geraden optischen Wellenleiterpfads 2D und
der optischen Zweigleitung 2c sind aneinander gekoppelt,
wobei die gekoppelte Endfläche
in der Endoberfläche 10b der
Mantelschicht 3 liegt. An der Endoberfläche 10b der Mantelschicht 3 ist über den
gekoppelten Endfläche
ein dielektrisches Vielschichtfilmfilter 14 gebildet, das
den Durchgang des Signallichts mit Wellenlänge 1,31 Mikrometer
zulässt,
aber das Signallicht mit der Wellenlänge 1,55 Mikrometer
reflektiert. In 7, die eine Draufsicht
auf den optischen Wellenleiterchip 10 ist, ist zu sehen,
dass die Endoberfläche 10b der
Mantelschicht 3 mit der gekoppelten Endfläche sich
nicht rechtwinklig schneidet, sondern unter einem Winkel in Bezug
auf den geraden optischen Wellenleiterpfad 2D, so dass
das an dem dielektrischen Vielschichtfilmfilter 14 reflektierte
Licht in den optischen Zweigleitung 2c eingespeist werden
kann. Genauer gesagt ist der Winkel so gewählt, dass eine den Winkel halbierende
Linie, die an dem gekoppelten Ende zwischen dem geraden optischen
Wellenleiterpfad 2D und dem optischen Zweigleitung 2c definiert
ist, einen rechten Winkel zur Ebene der Endoberfläche 10b der
Mantelschicht 3 bildet. Der optische Wellenleiter 2 und
Ausrichtmarken 4a, 4b können mit dem gleichen Verfahren
wie oben mit Bezug auf 4A bis 4G beschrieben
gebildet sein. Zu beachten ist, dass die Tatsache, dass der optische
Wellenleiter 2 auf dem optischen Wellenleitesubstrat 10S getrennt
vom Vorrichtungssubstrat 5 gebildet ist, ein günstiger
Faktor bei der Erzeugung des dielektrischen Vielschichtfilmfilters 14 an
der Endoberfläche des
optischen Wellenleiters 2 ist und die Erzeugung des Filters
tatsächlich
erleichtert.
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Bezogen
auf 7C ist der V-Nut-Substratabschnitt 5A des
Vorrichtungssubstrats 5 mit einer V-Nut 5a zum
Aufnehmen und Befestigen einer optischen Faser 8a versehen,
die die Kerbnut 5d rechtwinklig kreuzt, und an seiner oberen
Oberfläche
sind Elektroden 11a und 11b gebildet, mit denen
eine Fotodiode 15 (8) und eine
Laserdiode 9 (8) verbunden sein können. Die
Erstreckungsrichtung der Kerbnut 5e ist um Φ/2 in Bezug
auf eine zur Erstreckungsrichtung der V-Nut 5a senkrechte
Richtung abgewinkelt, so dass die Erstreckungsrichtung der Nut 5e mit
der Ebene der Endoberfläche 10b des optischen
Wellenleitersubstrats 10S zusammenfällt, wenn der optische Wellenleiterchip 10 gewendet
und auf dem Montagesubstratabschnitt 5C platziert ist. Die
V-Nut 5c ist in dem V-Nut-Substratabschnitt 5B so
ausgerichtet, dass sie mit der Erstreckungsrichtung der V-Nut 5a zusammenfällt.
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Der
in 7A gezeigte optische Wellenleiterchip 10 ist
gewendet und in Position auf dem in 7C gezeigten
Montagesubstratabschnitt 5C platziert, wobei der Wellenleiterchip
und der Montagesubstratabschnitt aufeinander ausgerichtet sind,
indem die Ausrichtmarken 4a, 4b auf dem optischen Wellenleiterchip 10 über den
Ausrichtmarken 4a', 4b' auf dem Montagesubstratabschnitt 5C angeordnet sind,
gefolgt von einem Verbinden des optischen Wellenleiterchips 10 und
des Substrats 5 miteinander zu einer integralen Anordnung.
Zusätzlich
sind optische Fasern 8a und 8c in den V-Nuten 5a bzw. 5b eingefügt und befestigt,
um ein optisches Sende-/Empfangsmodul wie in 8 gezeigt
zu bilden.
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Um
die auf dem optischen Wellenleiterchip 10 gebildeten Ausrichtmarken 4a, 4b und
die auf dem Montagesubstratabschnitt 5C gebildeten Ausrichtmarken 4a', 4b' aufeinander
auszurichten und dabei die einen von den anderen zu unterscheiden,
kann eine Kamera zwischen die gegenüberliegenden Substrate eingefügt sein,
um die Ausrichtprozeduren durchzuführen und dabei gleichzeitig
die Muster der gegenüberliegenden
Ausrichtmarken zu beobachten. Alternativ kann Licht mit hoher Durchdringungskraft wie
etwa Infrarotstrahlung oder Röntgenstrahlung verwendet
werden, um die Ausrichtmarken auf den Substraten zu bestrahlen,
so dass der Ausrichtprozess unter Beobachtung des transmittierten
Lichts durchgeführt
werden kann. Das optische Wellenleitersubstrat 10S und
das Vorrichtungssubstrat 5, die in der Praxis sehr geringe
Dicken in der Größenordnung
von 500 Mikrometer haben, ermöglichen
einen leichten Durchgang von Infrarotstrahlen oder Röntgenstrahlung,
so dass der Benutzer die Ausrichtmarken auf einem Röntgengerät beobachten
kann. Der Positionier- und Ausrichtprozess wie oben beschrieben
ist nicht nur sehr einfach und bequem, sondern erfordert auch nur
kurze Zeit.
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Bei
dem optischen Sende-/Empfangsmodul, dessen Zusammenbau beendet ist,
sind die Mittelachsen der optischen Fasern 8a und 8c entgegengesetzt
den Mitten der Endflächen
des geraden optischen Wellenteiterpfades 2D angeordnet,
während die
Laserdiode 9 und die Fotodiode 15 den Mitten der Endflächen der
jeweiligen Zweigleitungen des Y-förmig verzweigten optischen
Wellenleiterpfades 2Y gegenüberliegen.
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Bei
der Konstruktion wie oben in Verbindung mit 7 und 8 beschrieben,
wird Signallicht LS3 mit einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer, das über die
optische Faser 8a auf einer Seite eingespeist wird, in
den geraden optischen Wellenleiterpfad 2D weitergeleitet,
durchdringt das dielektrische Vielschichtfilmfilter 14 und
wird an die optische Faser 8c auf der anderen Seite ausgegeben. Über die
optische Faser 8a auf einer Seite eingespeistes Signallicht
LS1 mit einer Wellenlänge
von 1,31 Mikrometer wird hingegen in den geraden optischen Wellenleiterpfad 2D weitergeleitet
und an dem dielektrischen Vielschichtfilmfilter 14 reflektiert,
um in den Y-förmig verzweigten
optischen Wellenleiterpfad 2Y eingespeist zu werden, und
wird von der Fotodiode 15 empfangen, die gegenüber der
Endfläche
der optischen Zweigleitung 2a angeordnet ist. Signallicht LS2
mit einer Wellenlänge
von 1,31 Mikrometer, das von der Laserdiode 9 ausgestrahlt
wird, wird in die optische Zweigleitung 2c über die
Endfläche
der der Laserdiode 9 gegenüberliegenden optischen Zweigleitung 2b eingespeist,
wird an dem dielektrischen Vielschichtfilmfilter 14 reflektiert,
um in den geraden optischen Wellenleiterpfad 2D eingespeist
zu werden, und wird dann an die optische Faser 8a auf der einen
Seite ausgegeben. Wie man sieht, ermöglicht diese Erfindung sowohl
bidirektionale digitale Kommunikation über Signallicht mit einer Wellenlänge von
1,31 Mikrometer als auch die Weiterleitung von Signallicht mit einer
Wellenlänge
von 1,55 Mikrometer in einer einzigen optischen Faser.
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WIRKUNG DER
ERFINDUNG
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, dass die Erfindung
die Erzeugung eines in eine Mantelschicht eingebetteten optischen
Wellenleiters und von Ausrichtmarken durch Verwendung von Ätz- und
Filmbildungstechniken zur Herstellung eines optischen Wellenleiterchips
auf einem Rohmaterialsubstrat, das Bilden von V-Nuten und Ausrichtmarken
auf einem Rohmaterialsubstrat durch Anwendung von Ätz- und
Filmbildungstechniken, um ein Vorrichtungssubstrat zu bilden, umfasst,
wodurch die Positionierung und Befestigung des optischen Wellenleiterchips
und des Vorrichtungssubstrats in Bezug aufeinander bequem und exakt
unter Bezugnahme auf die Ausrichtmarken auf dem Chip und dem Substrat
durchgeführt
werden kann. Obwohl die Ausrichtoperation dieser Erfindung auf der
sogenannten passiven Ausrichttechnik basiert, ist die Genauigkeit
der Positionierung und Ausrichtung vergleichbar der durch die aktive
Ausrichttechnik erreichbaren, und dennoch ist der Positionier- und
Ausrichtprozess nach der Erfindung nicht nur einfach und bequem,
sondern auch schnell durchzuführen.