WO1998045740A1 - Vorrichtung zum verbinden von optischen elementen und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Vorrichtung zum verbinden von optischen elementen und verfahren zur herstellung derselben Download PDF

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Helmut Schift
Jürgen Soechtig
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Paul Scherrer Institut
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    • G02B6/3692—Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the manufacturing process of surface profiling of the supporting carrier with surface micromachining involving etching, e.g. wet or dry etching steps

Definitions

  • the present invention relates to a device according to the preamble of claim 1, the use thereof and a manufacturing method.
  • optical elements such as glass fibers, lenses, detectors and light sources is one of the main tasks in the manufacture of micro-optical units.
  • a known and frequently used coupling is that a glass fiber is butt-coupled with a laser and then cast with transparent polymer.
  • a resulting connection requires precise alignment of the elements involved with respect to several axes and is fixed with polymer after casting and can therefore no longer be changed. It is no longer possible to adapt the beam characteristic or multiply the beam by optical elements.
  • optical elements can be inserted into a space between the laser and the fiber, precise alignment must also be carried out here.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a device which does not have the disadvantages mentioned above. This object is achieved by the measures specified in the characterizing part of patent claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention, a use and a manufacturing method are specified in further claims.
  • Connecting elements that can be used for optical elements and that combine both positioning and optical functions offer significant advantages in terms of flexibility and in terms of the mutual alignment effort.
  • the device according to the invention is also particularly characterized by a repeatable alignment of the elements to be connected.
  • the manufacturing method according to the invention has the particular advantage that, once polymer replication techniques have been used, alignments that have been set can be easily reproduced.
  • Fig. 1 shows the device according to the invention in perspective view
  • Fig. 2 molded parts that are used for the production of insert elements according to the invention.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention, consisting of a carrier unit TE with one inserted therein Fiber F and an insert element EE with an optical element OE, shown. Furthermore, an optical unit OET, for example a laser diode, can be seen on the carrier unit TE.
  • FIG. 1 The device according to the invention is shown twice in FIG. 1:
  • the left part of FIG. 1 shows a device according to the invention in which the insert element EE is not inserted into the carrier unit TE, while on the right side of FIG.
  • Insert elements EE provided support unit TE is shown. Last but not least, it is intended to clarify that the insert element EE and thus the optical element OE present on this are interchangeable.
  • a recess AN is provided transversely to an optical axis defined by the fiber F and receives the insert element EE.
  • the aforementioned optical unit OET is provided on the carrier unit TE, which also lies on the optical axis defined by the fiber F, but is located on the other side of the recess AN with respect to the fiber F.
  • the insert element EE provided with the optical element OE is used to focus the light emitted by the optical unit OET on the end face of the fiber F; designed recess AN can be optimally positioned accordingly.
  • Fig. 1 are positioning elements and corresponding counterparts that are used for the mutual alignment of
  • Insert element EE and carrier unit TE are required, not shown.
  • Such positioning elements or their counterparts consist, for example, of pins and grooves which engage one another and are used, for example, with the aid of an etching technique and / or with
  • Wire EDM technology manufactured.
  • metallic pins are produced on the one hand, preferably with the aid of the wire terion technology and grooves on the other hand with the aid of an etching technique.
  • Pins or inserted cylindrical pins or cylindrical rods can also be inserted glass fibers.
  • optical banks mentioned allow a number of so-called optical functions, which can in particular be the following:
  • Mapping functions Mapping fiber / laser / detector to fiber / laser / detector;
  • Modulation functions through z.
  • Blocking functions for example optical apertures, blackening.
  • Carrier unit TE can accommodate several fibers F and thus also several corresponding optical units OET or elements OE. In such applications it is often referred to as so-called optical banks, which are particularly useful for plug connections, e.g. Fiber connectors are used.
  • the base plate BP has surface structures OS on the side facing the intermediate plate ZP, which are used to produce optical elements OE in the insert elements EE.
  • the intermediate plate ZP preferably has the same thickness as the insert element EE to be produced and is laterally provided with the negative of further desired structures, for example positioning elements PE.
  • cover plate DP inlet holes EL through which an optically transparent plastic (for example PMMA or PC or polystyrene or polydiacetylene or BCB (benzocyclobutane) or polyurethane or transparent silicone elastomers or polysilane or polysiloxane or
  • an optically transparent plastic for example PMMA or PC or polystyrene or polydiacetylene or BCB (benzocyclobutane) or polyurethane or transparent silicone elastomers or polysilane or polysiloxane or
  • Polyimide or visible or UV or thermally curing epoxy or polyimide adhesives is filled.
  • the molded parts shown in FIG. 2, in particular the intermediate plate ZP are preferably produced using the known so-called LIGA (lithography, electroforming, molding) technology, which was developed by W. Menz and P. Bley in “Microsystem Technology for Engineers” (VCH Verlag Weinheim, 1993) or by W. Ehrfeld et. al. in "Deep x-ray lithography for the production of three-dimensional microstructures from metals, polymers and ceramics” (Radiat. Phys. Che. Vol. 45, No. 3, pages 349 to 365, 1995).
  • LIGA lithography, electroforming, molding
  • the first is the so-called diamond NC turning as a possibility of very fine mechanical
  • Laser writing is also an option for optical photolithography, electroforming and replication.
  • the article by M. T. Gale et. al. with the title “Fabrication of continuous-relief micro-optical elements by direct laser writing in photoresist” (Optical Engineering, Nov. 1994, Vol. 33, No. 11, pages 3556 to 3566).
  • the molded parts can also be produced by means of direct electron beam writing. Regarding the process, reference is made to the article by Parriaux with the title “E-beam machines write smooth optical curves" (Opto & Laser Europe, Issue 27, pages 26 to 28, March 1996).
  • optical and / or electron-optical lithography with subsequent dry etching can also be used
  • the production processes mentioned above can also be used to produce the cover plate DP deploy.
  • other fine or ultra-fine mechanical methods and / or wire erosion techniques can be used to produce ventilation nozzles or filling channels.
  • insert elements EE can now be produced with the molded parts, the required positioning elements PE and the optical elements OE, which can convey the optical functions mentioned, being produced simultaneously in the same operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zum Verbinden von optischen Elementen auf einer Trägereinheit (TE), wobei mindestens ein Einsatzelement (EE) in die Trägereinheit (TE) einsetzbar ist. Die Trägereinheit (TE) ihrerseits weist mindestens ein Positionierungselement auf und das bzw. die Einsatzelemente (EE) zu jedem der Positionierungselemente der Trägereinheit (TE) ein entsprechendes Gegenstück (GS). Indem die Einsatzelemente (EE) gleichzeitig optische Elemente (OE) aufweisen, eignet sich die erfindungsgemässe Vorrichtung besonders für die Massenherstellung von optischen Einheiten. Ferner ist ein auf der LIGA-(Lithographie, Galvanoformung, Abformung)-Technologie basierendes Herstellungsverfahren angegeben, mittels dem Einsatzelemente (EE) einfach und kostengünstig hergestellt werden können.

Description

Vorrichtung zum Verbinden von optischen Elementen und Verfahren zur Herstellung derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Verwendung derselben sowie ein Herstellungsverfahren.
Das gegenseitige Ausrichten von optischen Elementen, wie beispielsweise Glasfasern, Linsen, Detektoren und Lichtquellen, ist eine der Hauptaufgaben bei der Fabrikation von mikro-optischen Einheiten.
Für die Kopplung von optischer Emission von Lasern in Glasfasern sind verschiedene Ansätze bekannt, die sich in bezug auf Flexibilität, Kopplungswirkungsgrad und Justageaufwand unterscheiden. Eine bekannte und häufig verwendete Kopplung besteht darin, dass eine Glasfaser mit einem Laser stossgekoppelt und anschliessend mit transparentem Polymer vergossen wird. Eine daraus entstehende Verbindung erfordert ein genaues Ausrichten der beteiligten Elemente in bezug auf mehrere Achsen und ist nach dem Vergiessen mit Polymer fixiert und somit nicht mehr veränderbar. Eine Anpassung der Strahlencharakteristik oder eine Strahlenvervielfachung durch optische Elemente ist nicht mehr möglich. Zwar können optischen Elemente in einen Zwischenraum zwischen Laser und Faser eingefügt werden, doch muss auch hier eine präzise Ausrichtung vorgenommen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die obenerwähnte Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, eine Verwendung sowie ein Herstellungsverfahren sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Für optische Elemente verwendbare Verbindungselemente, die sowohl positionierende als auch optische Funktionen in sich vereinigen, bieten wesentliche Vorteile in bezug auf die Flexibilität als auch in bezug auf den gegenseitigen Ausrichtungsaufwand. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich darüber hinaus besonders durch eine wiederholbare Ausrichtung der zu verbindenden Elemente aus.
Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren seinerseits weist insbesondere den Vorteil auf, dass durch den Einsatz von Polymerreplikationstechniken einmal eingestellte Ausrichtungen einfach reproduzierbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 die erfindungsgemässe Vorrichtung in perspektivischer Ansicht und
Fig. 2 Formteile, die zur Herstellung von erfindungsgemässen Einsatzelementen verwendet werden.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung, bestehend aus einer Trägereinheit TE mit einer in diese eingesetzten Faser F und einem Einsatzelement EE mit einem optischen Element OE, dargestellt. Ferner ist eine optische Einheit OET, beispielsweise eine Laserdiode, auf der Trägereinheit TE ersichtlich.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist in Fig. 1 zweifach dargestellt: Der linke Teil von Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung, bei der das Einsatzelement EE nicht in die Trägereinheit TE eingesetzt ist, währenddem auf der rechten Seite von Fig. 1 die mit dem
Einsatzelemente EE versehene Trägereinheit TE dargestellt ist. Damit soll nicht zuletzt verdeutlicht werden, dass das Einsatzelement EE und damit das auf diesem vorhandene optische Element OE beliebig austauschbar sind.
Bei der Ausführungsvariante gemäss Fig. 1 handelt es sich um eine Koppelung von optischer Emission von einem Laser als optische Einheit OET in eine Faser F, beispielsweise in ein Glasfaser, wobei die Faser F durch eine in der Trägereinheit TE vorhandene Fixiernut FN in gewünschter Orientierung ausgerichtet wird. Quer zu einer durch die Faser F definierten optischen Achse ist eine Ausnehmung AN vorgesehen, die das Einsatzelement EE aufnimmt. Auf der Trägereinheit TE ist die erwähnte optische Einheit OET vorgesehen, die ebenfalls auf der durch die Faser F definierten optischen Achse liegt, sich allerdings in bezug auf die Faser F auf der anderen Seite der Ausnehmung AN befindet .
Zur Fokusierung des von der optischen Einheit OET emittierten Lichtes auf der Stirnseite der Faser F wird das mit dem optischen Element OE versehene Einsatzelement EE verwendet, wobei dieses aufgrund der bewusst breit gestalteten Ausnehmung AN entsprechend optimal positioniert werden kann.
In Fig. 1 sind Positionierungselemente und entsprechende Gegenstücke, die zur gegenseitigen Ausrichtung von
Einsatzelement EE und Trägereinheit TE benötigt werden, nicht dargestellt. Solche Positionierungselemente bzw. deren Gegenstücke bestehen beispielsweise aus Stiften und Nuten, die einander eingreifen, und werden beispielsweise mit Hilfe einer Ätztechnik und/oder mit
Drahterosionstechnik hergestellt. So werden metallische Stifte einerseits vorzugsweise mit Hilfe der Drahterorionstechnik und Nuten anderseits mit Hilfe einer Ätztechnik hergestellt. Stifte oder eingelegte Zylinderstifte bzw. Zylinderstangen können auch eingelegte Glasfasern sein.
Zunächst sei aber auf weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Vorrichtung hingewiesen:
So ist in Weiterbildung der erfindungsgemässen Lehre vorgesehen, in der Ausnehmung AN mehrere Einsatzelemente EE zu plazieren, wobei auf den einzelnen Einsatzelementen EE sowohl optische Elemente OE als auch optische Einheiten OET im Sinne der in dieser Schrift verwendeten Terminologie vorgesehen sind. Bei Realisierungsformen, bei denen Abstände zwischen den einzelnen Einsatzelementen EE einzuhalten sind, sind vorzugsweise Abstandhalter zwischen den Einsatzelementen EE bzw. zu den Seitenwänden der Ausnehmung AN vorzusehen.
Zur weiteren Fixierung der Einsatzelemente EE in der Trägereinheit TE - sei es für eine Realisierung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem oder sei es für eine Realisierung mit mehreren Einsatzelementen EE - hat sich die Verwendung von elastischen Elementen, beispielsweise Federelementen, besonders vorteilhaft erwiesen.
Die erwähnten optischen Bänke lassen eine Reihe von sogenannten optischen Funktionen zu, die insbesondere die folgenden sein können:
Abbildungsfunktionen: Abbildung Faser/Laser/Detektor zu Faser/Laser/Detektor;
und/oder
Kollimationsf nktionen;
und/oder
- Strahlformungsfunktionen: z. B. Absorption in
Polymer oder Polymerfarbstoffzugaben;
und/oder
- Verteilungs- und Verknüpfungsfunktionen: von einer Faser in mehrere andere Fasern; von einer Faser in eine spezielle andere, nicht gegenüberliegende Faser;
und/oder
Modulationsfunktionen: durch z. B. elektrische Aktuator-Membranen oder elektrisch oder thermisch ansteuerbare Resonatoren ausgelegt durch nichtlienare optische Ploymere;
und/oder
polarisationsverändernde Funktionen: lineare, zirkuläre Polarisatoren durch z. B. gereckte Polymerfilme;
und/oder
Abblockfunktionen: beispielsweise optische Blendenöffnungen, Schwärzungen.
Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass eine
Trägereinheit TE mehrere Fasern F und somit auch mehrere entsprechende optische Einheiten OET bzw. Elemente OE aufnehmen kann. In solchen Anwendungen wird häufig von sogenannten optischen Bänken gesprochen, die insbesondere bei Steckverbindungen, z.B. Fasersteckverbinder, eingesetzt werden.
In Fig. 2 sind Formteile zur Herstellung von Einsatzelementen EE dargestellt, wobei eine Bodenplatte BP, eine Zwischenplatte ZP und eine Deckplatte DP vorgesehen sind. Die Bodenplatte BP weist auf der der Zwischenplatte ZP zugewandten Seite Oberflächenstrukturen OS auf, die zur Erzeugung von optischen Elementen OE in den Einsatzelementen EE verwendet werden. Die Zwischenplatte ZP weist vorzugsweise die selbe Dicke wie das herzustellende Einsatzelement EE auf und ist seitlich mit dem Negativ von weiteren gewünschten Strukturen, beispielsweise von Positionierungselementen PE, versehen. Schliesslich weist die Deckplatte DP Einlasslöcher EL auf, durch die ein optisch transparenter Kunststoff (beispielsweise PMMA oder PC oder Polystyrol oder Polydiacetylen oder BCB (Benzocyclobutan) oder Polyurethan oder transparente Silikon-Elastomere oder Polysilan oder Polysiloxan oder
Polyimid oder sichtbar- bzw. UV- bzw. thermisch aushärtende Epoxid- oder Polyimid-Klebstoffe) eingefüllt wird.
Die in Fig. 2 dargestellten Formteile, davon insbesondere die Zwischenplatte ZP, werden vorzugsweise mit der bekannten sogenannten LIGA- (Lithographie, Galvanoformung, Abformung) -Technologie hergestellt, die von W. Menz und P. Bley in "Mikrosystemtechnik für Ingenieure" (VCH Verlag Weinheim, 1993) oder von W. Ehrfeld et. al. in "Deep x-ray lithography for the production of three-dimensional microstructures from metals, polymers and ceramics" (Radiat. Phys. Che . Vol. 45, No. 3, Seiten 349 bis 365, 1995) ausführlich beschrieben ist.
Tatsächlich lassen sich auch andere lithographische
Verfahren zur Herstellung der Formteile BP, ZP und DP verwenden. So eignen sich eine Reihe weiterer Verfahren zur Herstellung der Formteile, davon insbesondere zur Herstellung der Bodenplatte BP, welche integrierte optische Funktionen aufweist:
Als erstes sei auf das sogenannte Diamant-NC-Drehen als eine Möglichkeit feinstmechanischer
Herstellungstechnologie, Galvanoformung und Replikation verwiesen (J. Futhey und M. Flemming, "Superzone diffractive lenses", OSA Technical Digest Series: Diffractive Optics: Design, Fabrication and Applications, Vol. 9, Seiten 4 bis 6, Washington, D.C.: OSA, 1992). Ein weiteres Herstellungsverfahren ist ein mittels mehrstufiger Kontaktbelichtung arbeitendes optisches Photolithographieverfahren und nachfolgender Galvanoumformung und Replikation. Diesbezüglich sei auf den Aufsatz von M. R. Feldmann mit dem Titel "Diffractive optics move into the commercial arena" (Laser Focus World, Seiten 143 bis 152, 1994) verwiesen.
Weiter ist auch das Laserschreiben eine Möglichkeit der optischen Photolithographie, Galvanoformung und Replikation. Diesbezüglich sei auf den Aufsatz von M. T. Gale et. al. mit dem Titel "Fabrication of continuous- relief micro-optical elements by direct laser writing in photoresist" (Optical Engineering, Nov. 1994, Vol. 33, No. 11, Seiten 3556 bis 3566) verwiesen.
Ferner lassen sich die Formteile auch mittels direktem Elektronenstrahlschreiben erzeugen. Zum Verfahren sei auf den Aufsatz von 0. Parriaux mit dem Titel "E-beam machines write smooth optical curves" (Opto & Laser Europe, Issue 27, Seiten 26 bis 28, März 1996) verwiesen.
Schliesslich kann auch optische und/oder elektronenoptische Lithographie mit anschliessender Trockenätzung zur
Herstellung von Formteilen verwendet werden. Diesbezüglich sei auf den Aufsatz von M. Eisner et. al. mit dem Titel "Tranferring resist microlenses into Silicon by reactive ion etching" (Optical Engineering, Vol. 35, Seiten 2979 bis 2982, 1996) verwiesen.
Auch zur Herstellung der Deckplatte DP lassen sich die vorstehend genannten Herstellungsverfahren vorzüglich einsetzen. Darüber hinaus sind weitere fein- oder feinstmechanische Verfahren und/oder Drahterosionstechniken zur Erzeugung von Belüftungsdüsen oder Befüllungskanäle einsetzbar.
Mit den Formteilen kann nun eine beliebige Anzahl von Einsatzelementen EE hergestellt werden, wobei gleichzeitig die benötigten Positionierungselemente PE und die optischen Elemente OE, welche die genannten optischen Funktionen vermitteln können, im gleichen Arbeitsgang erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zum Verbinden von optischen Elementen auf einer Trägereinheit (TE) , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einsatzelement (EE) in die Trägereinheit
(TE) einsetzbar ist, wobei die Trägereinheit (TE) mindestens ein Positionierungselement (PE) und das bzw. die Einsatzelemente (EE) zu jedem der Positionierungselemente (PE) der Trägereinheit (TE) ein entsprechendes Gegenstück
(GS) aufweist, und dass das bzw. die Einsatzelemente (EE) mindestens ein optisches Element (OE) aufweist bzw. aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit (TE) eine Ausnehmung (AN) zum Aufnehmen mindestens eines Einsatzelementes (EE) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungselemente (PE) und/oder deren entsprechende Gegenstücke (GS) aus Nuten und/oder Stiften bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einsatzelemente (EE) in die Ausnehmung (AN) einsetzbar sind, wobei die einzelnen Einsatzelemente (EE) durch einen Abstandhalter voneinander beabstandet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass elastische Elemente vorgesehen sind, welche die Einsatzelemente (EE) in vorgegebener Position halten. β. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Einheit (OET) , insbesondere eine Lichtquelle oder ein Detektor, auf einem Einsatzelement (EE) plaziert ist.
7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer optischen Bank, auf der vorzugsweise optische Funktionen vermittelt werden.
8. Verfahren zur Herstellung von Einsatzelementen (EE) für optische Einheiten, wobei das Verfahren darin besteht,
dass einzelne oder alle Formteile (BP, ZP, DP) mittels lithographischer Verfahren, die Zwischenplatte vorzugsweise mittels der LIGA-Technik, hergestellt werden, wobei in die Formteile sowohl Mittel (PE, GS) zur Ausrichtung als auch Mittel (OE) zur Ausführung optischer Funktionen erzeugt werden, und
dass die Einsatzelemente (EE) mittels Spritzgusstechnik oder Heissumformung oder Giesstechnik - vorzugsweise mit optisch, UV oder thermisch aushärtenden Epoxy- Klebern - hergestellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisch transparentes Polymer, vorzugsweise PMMA oder PC oder Polystyrol oder Polydiacetylen oder Benzocyclobutan oder Polyurethan oder transparente Silikon-Elastomere oder Polysilan oder Polysiloxan oder Polyimid oder sichtbar- bzw. UV- bzw. thermisch aushärtenden Epoxid- oder Polyimid- Klebstoffe, zur Herstellung der Einsatzelemente (EE) verwendet wird.
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