DE102012022634B3 - Component e.g. electrical component, for e.g. coupling of electromagnetic radiation into multi-mode-fiber in photonic/optical building technology, has fiber front surface connected with substrate material, and marks provided at substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Ein- und/oder Auskopplung elektromagnetischer Strahlung in und/oder aus einer Lichtleitfaser sowie Verfahren zu seiner Herstellung. Sie kann in der photonischen/optischen Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzt werden. Dabei besteht die Möglichkeit der Ankopplung diskreter elektrooptischer Wandler (z. B. elektromagnetische Strahlung emittierender Elemente, wie Laser, LED's oder elektromagnetische Strahlung empfangende Elemente, wie Photodioden oder andere elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelnde Elemente. Es kann ein fasergekoppeltes elektro-optisches Bauelement mit erheblich erhöhter Zuverlässigkeit, in ökonomisch skalierbarer Fertigungstechnologie in miniaturisierter Form zur Verfügung gestellt werden, das eine erhöhte Effizienz erreicht.The invention relates to a component for coupling and / or decoupling electromagnetic radiation into and / or from an optical fiber, and to methods for its production. It can be used in photonic / optical assembly and connection technology. There is the possibility of coupling discrete electro-optical transducers (eg elements emitting electromagnetic radiation, such as lasers, LEDs or elements receiving electromagnetic radiation, such as photodiodes or other electromagnetic radiation, into electrical energy-converting elements.) A fiber-coupled electro-optical component may be used significantly increased reliability, be provided in economically scalable manufacturing technology in miniaturized form, which achieves increased efficiency.
Bisher mussten integrierte opto-elektronische Wandlerelemente sehr aufwändig optisch kontaktiert werden und Intensitätsverluste der genutzten elektromagnetischen Strahlung konnten wegen einer möglichen ungenauen Justierung nicht vermieden werden. Üblicherweise wird dabei elektromagnetische Strahlung als Freistrahl in einer Umgebungsatmosphäre über einen Teil des Strahlungsweges geführt. Dabei treten Intensitätsverluste infolge von Reflexionen und Ausrichtungsfehlern auf oder es musste eine sehr aufwändige Justage durchgeführt werden, bei der die eingekoppelte optische Leistung gemessen werden muss, bis ein Maximum erreicht ist (aktive Montage).So far, integrated opto-electronic transducer elements had to be optically contacted in a very complex manner and intensity losses of the electromagnetic radiation used could not be avoided because of a possible inaccurate adjustment. Usually, electromagnetic radiation is conducted as a free jet in an ambient atmosphere over part of the radiation path. In this case, intensity losses occur as a result of reflections and alignment errors, or a very complex adjustment had to be carried out, in which the coupled-in optical power must be measured until a maximum has been reached (active assembly).
Bei solchen fasergekoppelten opto-elektronischen Bauelementen bestimmen die Packagingkosten, also die Kosten für die optische Aufbau- und Verbindungstechnik mit einem Anteil zwischen 60% bis 80% in Bezug zu den Gesamtkosten.In such fiber-coupled opto-electronic components determine the packaging costs, ie the cost of the optical assembly and connection technology with a share between 60% to 80% in relation to the total cost.
Bei solchen Bauelementen, bei denen eine Freistrahlführung realisiert ist, ist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse erforderlich, dessen innerer Hohlraum möglichst dauerhaft evakuiert oder mit einem Schutzgas befüllt ist, was die Kosten und den Herstellungsaufwand weiter erhöht.In such components, in which a free jet is realized, a hermetically sealed housing is required, the inner cavity evacuated as permanently as possible or filled with a protective gas, which further increases the cost and production costs.
Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, positionierte opto-elektronische Elemente und Lichtleitfasern mit einem zumindest teilweise optisch transparenten Werkstoff zu umspritzen und mit Strahlformungselementen zu versehen. Diese können mit Steckverbindern optisch lösbar gekoppelt werden. Diese Art der Herstellung ist nur für tolerante elektromagnetische Strahlung empfangende Elemente geeignet da eine genaue Positionierung nur sehr schwer bei der Herstellung eingehalten werden kann. Für elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente sind, wie bereits zuvor genannt zusätzliche aktive Montageschritte nötig.Another known possibility is to overmold positioned optoelectronic elements and optical fibers with an at least partially optically transparent material and to provide them with beam shaping elements. These can be optically coupled with connectors. This type of production is suitable only for tolerant electromagnetic radiation receiving elements because accurate positioning is very difficult to comply with during manufacture. For electromagnetic radiation emitting elements, as already mentioned above, additional active assembly steps are necessary.
Solche herkömmlichen Bauelemente erfordern ein erhöhtes Bauvolumen. Durch die erforderliche mehrfache Justage einzelner Elemente, mit hoher Präzision, werden die Herstellungskosten erhöht.Such conventional components require an increased volume of construction. The required multiple adjustment of individual elements, with high precision, the manufacturing cost is increased.
Häufig sind zusätzliche optische Strahlformungselemente für die elektromagnetische Strahlung erforderlich.Frequently additional optical beam shaping elements for the electromagnetic radiation are required.
So ist aus
Ein den optischen Pfad veränderndes Element, bei dem optische Fasern genutzt werden ist aus
In
Die
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, solche Bauelemente zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig mit erhöhter Präzision herstellbar sind und eine erhöhte Effizienz bei der Übertragung, Ein- bzw. Auskopplung elektromagnetischer Strahlung in oder aus einer Lichtleitfaser erreichen und ein kleines Bauvolumen erfordern.It is therefore an object of the invention to provide such components that are inexpensive to produce with increased precision and achieve increased efficiency in the transmission, coupling or decoupling electromagnetic radiation in or out of an optical fiber and require a small volume of construction.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bauelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 14 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a component having the features of
Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement zur Ein- und/oder Auskopplung elektromagnetischer Strahlung in und/oder aus einer Lichtleitfaser wird in einer Alternative die elektromagnetische Strahlung aus der Lichtleitfaser auf mindestens ein elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelndes Element gerichtet. Die Strahlung kann aber auch von einem elektromagnetische Strahlung emittierenden Element in eine Lichtleitfaser eingekoppelt werden. Dabei ist mit zwei Lichtleitfasern sowohl eine Ein-, wie auch eine Auskopplung der Strahlung möglich, wenn jeweils ein elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelndes Element und ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Element am Bauelement vorhanden sind.In a device according to the invention for coupling and / or decoupling electromagnetic radiation into and / or from an optical fiber, the electromagnetic radiation from the optical fiber is directed onto at least one electromagnetic radiation into electrical current-converting element in an alternative. The radiation can also be coupled by an electromagnetic radiation emitting element in an optical fiber. In this case, with two optical fibers, both an input and a decoupling of the radiation possible, if in each case an electromagnetic radiation in electrical current converting element and a electromagnetic radiation emitting element are present on the device.
Die eine Lichtleitfaser oder zwei Lichtleitfasern ist/sind mit einem in einem für die jeweilige elektromagnetische Strahlung optisch transparenten Substrat ausgebildeten mechanischen Anschlag dreidimensional (in drei Raumrichtungen) fixiert.The one optical fiber or two optical fibers is / are fixed in three dimensions (in three spatial directions) with a mechanical stop formed in a substrate that is optically transparent for the respective electromagnetic radiation.
Dabei ist jeweils eine Lichtleitfaser in einer in einem für die jeweilige elektromagnetische Strahlung optisch transparenten Substrat ausgebildeten geradlinigen nutenförmigen Vertiefung oder einer Bohrung in justierter Form dreidimensional positioniert und so fixiert.In this case, an optical fiber is in each case three-dimensionally positioned in a rectilinear groove-shaped recess or a bore in an adjusted form formed in a substrate that is optically transparent for the respective electromagnetic radiation and is thus fixed.
Der Raum zwischen der Stirnfläche der Lichtleitfaser aus der elektromagnetische Strahlung austritt und einem die elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelnden Element oder der Raum zwischen einem elektromagnetische Strahlung emittierenden Element und der Stirnfläche der Lichtleitfaser in die die emittierte elektromagnetische Strahlung einkoppelbar ist, ist Hohlraumfrei ausgebildet. Dies bedeutet, es erfolgt keine freie Strahlführung und die elektromagnetische Strahlung wird ausschließlich durch Werkstoffe, die für das Substrat, die Lichtleitfaser und ggf. einen einen Anschlag bildenden Werkstoff geführt. Das Fehlen von Hohlräumen ist dann vorteilhaft, wenn das Bauelement später mit einer es gegenüber der Umgebung abschirmenden/schützenden Umhüllung umschlossen werden soll.The space between the end face of the optical fiber exits from the electromagnetic radiation and an electromagnetic radiation into electrical current converting element or the space between an electromagnetic radiation emitting element and the end face of the optical fiber in which the emitted electromagnetic radiation is coupled, is formed cavity-free. This means that there is no free beam guidance and the electromagnetic radiation is guided exclusively by materials that are used for the substrate, the optical fiber and possibly a material forming a stop. The absence of cavities is advantageous if the component is to be enclosed later with a covering which shields it from the environment / protective envelope.
Zwischen der Stirnfläche der Lichtleitfaser aus der elektromagnetische Strahlung austritt und einer Fläche an der die aus der Lichtleitfaser austretende elektromagnetische Strahlung in Richtung auf ein elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelndes Element reflektiert wird oder zwischen einem elektromagnetische Strahlung emittierenden Element und der Stirnfläche der Lichtleitfaser in die die emittierte elektromagnetische Strahlung einkoppelbar ist, kann ein einen Anschlag bildender Werkstoff vorhanden sein. In beiden Fällen ist der Zwischenraum zwischen Lichtleitfaser und dem Substrat mit Anschlag aus einem Werkstoff gebildet oder als stoffschlüssige Verbindung hergestellt, wobei eine Abweichung der optischen Brechzahlen der eingesetzten Werkstoffe, die maximal um ±0.05 voneinander zugelassen ist.Exits the electromagnetic radiation between the end face of the optical fiber and a surface at which the electromagnetic radiation emerging from the optical fiber is reflected towards an electromagnetic radiation into electrical current converting element or between an electromagnetic radiation emitting element and the end face of the optical fiber in the emitted electromagnetic radiation can be coupled, a stop forming material may be present. In both cases, the gap between the optical fiber and the substrate is formed with a stop made of a material or produced as a material connection, with a deviation of the optical refractive indices of the materials used, which is a maximum of ± 0.05 allowed each other.
Die stoffschlüssige Verbindung kann mit einem polymeren ausgehärteten Werkstoff, einem umgescholzenen Glaslot oder durch ein direktes Anschmelzen der Verbindungspartner hergestellt werden geschehen.The cohesive connection can be made with a polymer cured material, a umgescholzenen glass solder or by a direct melting of the connection partners are done.
Dadurch kann erreicht werden, dass eine sehr genaue Justierung von Lichtleitfasern in Bezug zu einem elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelndes Element oder ein elektromagnetische Strahlung emittierenden Element möglich wird, ohne dafür einen hohen Positionierungsaufwand hervor zu rufen. Außerdem kann dabei vorteilhaft erreicht werden, dass die elektromagnetische Strahlung fast vollständig ohne jegliche optische Brechung und Reflexionen ein- bzw. ausgekoppelt werden kann.As a result, it can be achieved that a very precise adjustment of optical fibers with respect to an electromagnetic radiation into electrical current-converting element or an electromagnetic radiation-emitting element is possible, without calling for a high positioning overhead. In addition, it can advantageously be achieved that the electromagnetic radiation can be switched on and off almost completely without any optical refraction and reflections.
Dabei sollte das Substrat aus einem Glas gebildet sein, dessen optische Brechzahl der optischen Brechzahl der Lichtleitfaser entspricht (maximale Abweichung ±0,02) und dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sollte an den der Bauelemente angepasst sein.In this case, the substrate should be formed of a glass whose optical refractive index corresponds to the optical refractive index of the optical fiber (maximum deviation ± 0.02) and whose thermal expansion coefficient should be adapted to that of the components.
Bei dem Substrat kann es sich um einen Glaswafer handeln, der bereits teilweise prozessiert sein kann. So können an einem Glaswafer bereits elektrische Leiterbahnstrukturen, elektrische Kontakte und auch opto-elektronische Elemente vorhanden sein, bevor eine Herstellung nutenförmiger Vertiefungen oder Bohrungen sowie von Anschlägen und eine Fixierung von Lichtleitfasern erfolgt und ggf. eine reflektierende Beschichtung aufgebracht wird. Auf einem Glaswafer können viele erfindungsgemäße Bauelemente ausgebildet werden, die nach einer Fertigstellung vereinzelt werden können, wie es aus der Halbleiterelementeherstellung an sich bekannt ist. Dadurch können die Herstellungskosten wesentlich reduziert werden.The substrate may be a glass wafer, which may already be partially processed. Thus, electrical conductor track structures, electrical contacts and also opto-electronic elements can already be present on a glass wafer before production of groove-shaped depressions or bores and of stops and fixation of optical fibers takes place and if necessary a reflective coating is applied. On a glass wafer, many components of the invention can be formed, which can be separated after completion, as it is known per se from the semiconductor element production. As a result, the production costs can be significantly reduced.
Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement sollte die Fläche, an der die aus der Lichtleitfaser austretende elektromagnetische Strahlung in Richtung auf ein elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelndes Element reflektiert wird, in einem geneigten Winkel zur optischen Achse der Lichtleitfaser ausgerichtet oder als konkav oder konvex gekrümmte Fläche ausgebildet sein. Dadurch kann gesichert werden, dass zwischen der aktiven Oberfläche eines elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelnden Elementes ein ausreichender Abstand eingehalten werden kann, so dass zumindest nahezu die gesamte aktive Fläche des einen oder mehrerer elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelnden Elemente(s) bestrahlt wird. Ist eine solche Fläche in einem Winkel geneigt, ist ein Neigungswinkel von 45° bevorzugt. Bei gekrümmter Oberfläche kann ein Krümmungsradius gewählt werden, der dies berücksichtigt.In a device according to the invention, the surface at which the electromagnetic radiation emerging from the optical fiber is reflected towards an electromagnetic radiation into electrical current converting element should be oriented at an inclined angle to the optical axis of the optical fiber or be formed as a concave or convex curved surface , It can thereby be ensured that a sufficient distance can be maintained between the active surface of an electromagnetic radiation element in electrical current, so that at least almost the entire active surface of the one or more electromagnetic radiation elements (s) is irradiated. If such a surface is inclined at an angle, an inclination angle of 45 ° is preferred. With a curved surface, a radius of curvature can be chosen that takes this into account.
Eine solche Fläche kann als eine äußere Fläche des polymeren ausgehärteten Werkstoffs oder als eine entsprechend am/im Substrat ausgebildete Fläche die durch eine entsprechend geometrisch gestaltete Vertiefung im Substrat ausgebildet worden ist, sein.Such a surface may be as an outer surface of the polymeric cured material or as a correspondingly formed on / in the substrate surface which has been formed by a corresponding geometrically shaped recess in the substrate.
Es besteht die Möglichkeit, an einem Substrat mehrere solcher reflektierender Flächen vorzusehen, so dass die elektromagnetische Strahlung mehrfach reflektiert wird und dadurch der von der elektromagnetischen Strahlung zurück gelegte Weg verlängert wird, wodurch infolge der Divergenz eine Vergrößerung des Strahlquerschnitts auftritt, die ausgenutzt werden kann. Durch günstige Anordnung kann erreicht werden, dass die reflektierenden Flächen ganzflächig metallisiert werden können, wodurch sich der Fertigungsaufwand reduziert. Für den Fall, dass eine Lichtleitfaser an einer Seite des Substrats/Bauelements angeordnet ist, die der Seite gegenüberliegt, an der eine elektrische Leiterbahnstruktur und ggf. ein optoelektronisches Element angeordnet ist, ist der Einsatz von Masken, im Bereich in dem eine elektrische Leiterbahnstruktur bzw. ein optoelektronisches Element angeordnet ist/sind, erforderlich. It is possible to provide a plurality of such reflective surfaces on a substrate, so that the electromagnetic radiation is reflected several times and thereby the distance traveled by the electromagnetic radiation path is extended, whereby due to the divergence, an increase of the beam cross section occurs, which can be exploited. By favorable arrangement can be achieved that the reflective surfaces can be metallized over the entire surface, thereby reducing the manufacturing cost. In the event that an optical fiber is arranged on one side of the substrate / component, which is opposite to the side on which an electrical interconnect structure and possibly an optoelectronic element is arranged, the use of masks, in the region in which an electrical interconnect structure or an opto-electronic element is / are arranged, required.
Vorteilhaft ist es auch, zumindest die reflektierende Fläche, bevorzugt die gesamte Oberfläche zumindest aber im Bereich um nutenförmige Vertiefungen, mit einer die jeweilige elektromagnetische Strahlung reflektierende Beschichtung zu versehen. Dadurch können Strahlungsintensitätsverluste vermieden werden. Eine solche Beschichtung sollte besonders vorteilhaft auf allen Oberflächen ausgebildet sein, aus denen die Möglichkeit eines unerwünschten Strahlungsaustritts besteht. Reflektierende Beschichtungen können aus geeignetem Metall und durch bekannte Dünnschichtbeschichtungsverfahren, wie z. B. CVD- oder PVD-Verfahren ausgebildet werden.It is also advantageous to provide at least the reflective surface, preferably the entire surface but at least in the region around groove-shaped recesses, with a coating which reflects the respective electromagnetic radiation. As a result, radiation intensity losses can be avoided. Such a coating should be particularly advantageously formed on all surfaces from which there is the possibility of unwanted radiation emission. Reflective coatings can be made of suitable metal and by known thin film coating techniques, such as. B. CVD or PVD method can be formed.
Ein oder mehrere elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelnde(s) Element(e) mit einer elektrischen Leiterbahnstruktur kann/können an der Oberfläche des Substrats angeordnet sein, die der Oberfläche an der die nutenförmige Vertiefung ausgebildet ist, gegenüber liegt. Die Bestrahlung seiner aktiven Oberfläche kann dann nach mindestens einer Reflexion der aus einer Lichtleitfaser austretenden elektromagnetischen Strahlung erfolgen.One or more electromagnetic radiation into electrical current converting element (s) having an electrical trace structure may be disposed on the surface of the substrate opposite to the surface on which the groove-shaped depression is formed. The irradiation of its active surface can then take place after at least one reflection of the electromagnetic radiation emerging from an optical fiber.
Ein elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelndes Element kann ein photovoltaisches Element, bevorzugt ein GaAs-Photoelement sein. Mit einem solchen Element kann die optische Strahlung in elektrische Energie umgewandelt werden. Dies kann zur Signal- und/oder Energieübertragung genutzt werden. Eine Datenübertragung kann mittels modulierter elektromagnetischer Strahlung erreicht werden. Für eine reine Energieübertragung ist keine Modulation erforderlich. Die auf optischen Weg übertragene Energie kann für den Betrieb weiterer elektrischer, opto-elektronischer Elemente, elektronischer Elemente, für Sensoren und Aktoren genutzt oder in einem Energiespeicher gespeichert werden. Dies ist insbesondere bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen eine rein elektrische Energieübertragung Nachteile hervorruft, wie dies beispielsweise bei Anwendungen im Hochspannungsbereich oder bei Windenergieanlagen, der Fall ist.An electromagnetic radiation to electrical current converting element may be a photovoltaic element, preferably a GaAs photoelement. With such an element, the optical radiation can be converted into electrical energy. This can be used for signal and / or energy transmission. Data transmission can be achieved by means of modulated electromagnetic radiation. For pure energy transfer no modulation is required. The transmitted energy on the optical path can be used for the operation of other electrical, opto-electronic elements, electronic elements, sensors and actuators or stored in an energy storage. This is particularly advantageous in applications in which a purely electrical energy transmission causes disadvantages, as is the case, for example, in applications in the high voltage range or in wind turbines.
Ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Element kann vorteilhaft eine Laserdiode, bevorzugt ein Halbleiterlaser (VCSEL) sein.An element emitting electromagnetic radiation may advantageously be a laser diode, preferably a semiconductor laser (VCSEL).
Eine nutenförmige Vertiefung, in der eine Lichtleitfaser eingelegt ist und/oder eine Vertiefung an der eine reflektierende Fläche ausgebildet ist, kann als V-Nut ausgebildet sein.A groove-shaped recess, in which an optical fiber is inserted and / or a recess on which a reflective surface is formed, may be formed as a V-groove.
Ein polymerer ausgehärteter Werkstoff, mit dem ein Anschlag für eine Lichtleitfaser gebildet werden kann, kann ein Epoxidharz oder Hybridpolymer sein, das mit einem Sol-Gel-Verfahren bearbeite werden kann. Dabei ist es vorteilhaft mit SiO2 gefülltes Harz oder Polymer einzusetzen, da dadurch eine weitere Verbesserung der Anpassung an die jeweilige optische Brechzahl erreicht werden kann.A polymeric cured material with which a stop for an optical fiber can be formed may be an epoxy or hybrid polymer that can be processed by a sol-gel process. It is advantageous to use SiO 2 filled resin or polymer, as this can be achieved by further improving the adaptation to the respective optical refractive index.
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann das Bauelement auf einem weiteren Substrat mit einer das Bauelement vollständig umschließenden und hermetisch gegenüber der Umgebung abdichtenden Vergussmasse umgeben sein. Dadurch kann auf ein hermetisch abschließendes Gehäuse verzichtet werden.In contrast to the prior art, the component can be surrounded on a further substrate with a component which completely surrounds the component and hermetically seals against the environment. This eliminates the need for a hermetically sealed housing.
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente kann so vorgegangen werden, dass in eine Oberfläche des optisch transparenten Substrats eine zur dreidimensionalen Faserfixierung in drei Raumrichtungen geeignete Vertiefung oder eine Bohrung durch Pulverstrahlschneiden, Ätzen, Heißprägen, Laserstrukturierung, Ultraschallbohren und/oder bevorzugt durch Sägen ausgebildet wird. Als Ätzverfahren kommen sowohl Nass-, wie auch Trockenätzverfahren infrage.In the production of components according to the invention, it is possible to proceed in such a way that a depression or bore suitable for three-dimensional fiber fixing in three spatial directions is formed by powder jet cutting, etching, hot stamping, laser structuring, ultrasonic drilling and / or preferably by sawing. Both wet and dry etching processes are suitable as etching processes.
Es soll ein Substrat eingesetzt werden, an dem Positioniermarkierungen vorhanden sind. Diese sollten einen Bezug zur Position einer elektrischen Leiterbahnstruktur und/oder eines elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelnden Elements oder eines elektromagnetische Strahlung emittierenden Elements haben. Mit Hilfe dieser Positioniermarkierungen kann eine sehr genaue Bearbeitung mit entsprechender Ausrichtung von Lichtleitfasern erreicht werden. Es besteht dabei die Möglichkeit einzelne Punkte oder Bereiche einer bereits vor einer weiteren Prozessierung auf einem Substrat ausgebildeten elektrischen Leiterbahnstruktur als Positioniermarkierung zu nutzen.It should be used a substrate on which positioning marks are present. These should have a relation to the position of an electrical conductor structure and / or an electromagnetic radiation in electric current converting element or an electromagnetic radiation emitting element. With the help of these positioning marks a very accurate processing can be achieved with appropriate alignment of optical fibers. There is the possibility of using individual points or regions of an electrical strip conductor structure, which has already been formed on a substrate before further processing, as a positioning marking.
Bei der Ausbildung sollte eine Vertiefung oder eine Bohrung zumindest im Bereich des Stirnendes der Lichtleitfaser aus dem elektromagnetische Strahlung aus- bzw. in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird, wenn diese in die Vertiefung eingeführt ist, geradlinig ausgebildet sein.When forming a depression or bore should at least in the region of the front end of the optical fiber from the electromagnetic Radiation off or is coupled into the optical fiber, if this is introduced into the recess, be rectilinear.
Anschließend kann ein Teilbereich dieser Vertiefung mit einem noch nicht ausgehärteten polymeren Werkstoff befüllt werden. Nach der Aushärtung dieses Werkstoffs wird eine Anschlagfläche für die Stirnfläche der Lichtleitfaser, aus der elektromagnetische Strahlung aus- oder elektromagnetische Strahlung eingekoppelt werden soll, bevorzugt mit einem photolithografischen Verfahren ausgebildet. An der Anschlagfläche liegt die Lichtleitfaser vollflächig nach ihrer Montage an, so dass keine Freistrahlführung auftritt. Die eingelegte Lichtleitfaser sollte danach zusätzlich fixiert werden, was beispielsweise mit einem Kleber möglich ist.Subsequently, a portion of this depression can be filled with a not yet cured polymeric material. After curing of this material, a stop surface for the end face of the optical fiber, from the electromagnetic radiation or electromagnetic radiation is to be coupled, preferably formed with a photolithographic process. At the stop surface, the optical fiber is fully flat after their installation, so that no free-jet occurs. The inserted optical fiber should then be additionally fixed, which is possible for example with an adhesive.
Dann wird eine in einem Winkel in Bezug zur optischen Achse geneigte oder konkav oder konvex gekrümmte Fläche durch Werkstoffabtrag des Substrats oder des polymeren dann ausgehärteten Werkstoffs ausgebildet. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die aus der Lichtleitfaser ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung auf mindestens ein elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandelndes Element gerichtet werden soll.Then, a surface inclined at an angle with respect to the optical axis or concavely or convexly curved is formed by material removal of the substrate or the polymeric then cured material. This is the case, in particular, when the electromagnetic radiation coupled out of the optical fiber is to be directed to at least one element that converts electromagnetic radiation into electrical current.
Anschließend daran wird die Lichtleitfaser in die nutenförmige Vertiefung eingelegt oder in eine Bohrung eingeführt und dabei ohne zusätzlichen Aufwand selbsttätig justiert und positioniert. Zumindest vor dem Einlegen oder Einführen kann am Substrat zumindest eine elektrische Leiterbahnstruktur und/oder ein opto-elektronisches Element und/oder Positionsmarkierungen angebracht oder bereits vorhanden sein.Subsequently, the optical fiber is inserted into the groove-shaped recess or inserted into a bore and automatically adjusted and positioned without additional effort. At least prior to insertion or insertion, at least one electrical conductor track structure and / or an opto-electronic element and / or position markings may be attached or already present on the substrate.
Nach dem Einlegen in die Anschlagsführung wird die Lichtleitfaser fixiert, was vorteilhaft durch Kleben, Schweißen oder Löten erreicht werden kann.After insertion into the stop guide, the optical fiber is fixed, which can be advantageously achieved by gluing, welding or soldering.
Dabei kann ein elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelndes Element und/oder ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Element (als Beispiele für optoelektronische Elemente) bereits mit dem Substrat verbunden worden sein, bevor diese Verfahrensschritte durchgeführt werden. An einem Substrat können auch mehrere nutenförmige Vertiefungen für Lichtleitfasern ausgebildet werden. Dadurch besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass an einem Bauelement ein elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelndes Element und ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Element vorhanden sind. Dadurch kann eine Daten- bzw. Signalübertragung zum und vom entsprechend ausgebildeten Bauelement erfolgen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit einer Energieübertragung zum Bauelement auf optischem Weg.In this case, an electromagnetic radiation element converting into electrical energy and / or an element emitting electromagnetic radiation (as examples of optoelectronic elements) may have already been connected to the substrate before these method steps are carried out. On a substrate, a plurality of groove-shaped recesses for optical fibers can be formed. As a result, for example, there is the possibility that electromagnetic radiation in electrical energy-converting element and an electromagnetic radiation emitting element are present on a component. As a result, a data or signal transmission to and from the correspondingly formed component take place. In addition, there is the possibility of energy transmission to the device by optical means.
Wie bereits angesprochen, können Oberflächenbereiche des Bauelements, was insbesondere auf Flächen zutrifft an denen die elektromagnetische Strahlung reflektiert werden soll, mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden. Hierfür können geeignete Metalle, wie z. B. Gold, Silber oder Aluminium eingesetzt werden. Für eine große Lebensdauer bieten sich Edelmetalle an.As already mentioned, surface regions of the component, which applies in particular to surfaces on which the electromagnetic radiation is to be reflected, can be provided with a reflective coating. For this purpose, suitable metals, such as. As gold, silver or aluminum. Precious metals are ideal for a long service life.
Wie bereits zum Ausdruck gebracht, können nutenförmige Vertiefungen mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren, mit denen ein Werkstoffabtrag möglich ist, genutzt werden. Die jeweilige Auswahl kann unter Berücksichtigung der gewünschten Präzision und den Herstellungskosten erfolgen.As already stated, groove-shaped recesses can be used with different production methods, with which material removal is possible. The respective selection can take place taking into account the desired precision and the manufacturing costs.
Besonders vorteilhaft ist es aber, die nutenförmige(n) Vertiefung(en) durch sägen auszubilden. Hierfür können herkömmliche Wafersägeblätter eingesetzt werden, deren Geometrie der Schneidflächen an die gewünschte geometrische Form der jeweiligen Vertiefung angepasst ist. Dabei kann der Werkstoffabtrag des Substratwerkstoffs in mehreren Stufen, durch wiederholtes sägen mit gleichem oder verändertem Vorschub in den einzelnen Stufen erreicht werden.But it is particularly advantageous to form the groove-shaped recess (s) by sawing. For this purpose, conventional wafer saw blades can be used, the geometry of the cutting surfaces is adapted to the desired geometric shape of the respective recess. The material removal of the substrate material can be achieved in several stages, by repeated sawing with the same or modified feed in the individual stages.
Das Sägen kann in dieser Form auch für die Ausbildung von Flächen, an denen elektromagnetische Strahlung reflektiert werden soll, eingesetzt werden. Auch in diesem Fall kann ein Wafersägeblatt mit entsprechender Schneidkonturfläche eingesetzt werden, um den gewünschten Neigungswinkel der jeweiligen reflektierenden Fläche oder die gewünschte konkave oder konvexe Krümmung auszubilden. Nach dem Sägen kein Polieren erforderlich.Sawing can also be used in this form for the formation of surfaces on which electromagnetic radiation is to be reflected. Also in this case, a wafer saw blade with a corresponding cutting contour surface can be used to form the desired angle of inclination of the respective reflecting surface or the desired concave or convex curvature. No need for polishing after sawing.
Mit diesem Herstellungsverfahren lassen sich die gewünschte Präzision und eine erhöhte Produktivität im Vergleich zu den anderen genannten und auch geeigneten Herstellungsverfahren erreichen.With this manufacturing method, the desired precision and increased productivity can be achieved compared to the other mentioned and also suitable production methods.
Bei einem erfindungsgemäßen Bauelement können mehrere elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelnde Elemente direkt nebeneinander angeordnet und gemeinsam mit der elektromagnetischen Strahlung, die aus einer Lichtleitfaser ausgekoppelt worden ist, bestrahlt werden. Dabei kann beispielsweise ein solches elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelndes Element für die Datenübertragung und ein weiteres elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelndes Element für die reine Energieübertragung genutzt werden.In a device according to the invention a plurality of electromagnetic radiation in electrical energy converting elements can be arranged directly adjacent to each other and irradiated together with the electromagnetic radiation which has been decoupled from an optical fiber. In this case, for example, such an electromagnetic radiation into electrical energy-converting element for the data transmission and a further electromagnetic radiation into electrical energy-converting element for the pure energy transfer can be used.
Es besteht auch die Möglichkeit, auf einem Glas-Wafer unterschiedlich konfigurierte Bauelemente herzustellen, bei denen unterschiedliche opto-elektronische Elemente auf nachträglich vom jeweiligen Wafer zu vereinzelnden Bauelementen angeordnet sind. So können unterschiedliche elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente oder unterschiedliche elektromagnetische Strahlung in Elektroenergie wandelnde Elemente oder diese Arten von Elementen gemeinsam auf einem Bauteil angeordnet sein.It is also possible to produce on a glass wafer differently configured components, in which different opto-electronic elements to be subsequently separated from the respective wafer components are arranged. Thus, different electromagnetic radiation emitting elements or different electromagnetic radiation in electrical energy converting elements or these types of elements may be arranged together on a component.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann einen planaren Aufbau aufweisen, was montagefreundlich und bauraumsparend (Miniaturisierung) ist. Die Justage der miteinander zu verbindenden Elemente (Lichtleitfaser, Substrat und opto-elektronische Elemente) kann passiv erfolgen. Es sind eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreichbar.An inventive component may have a planar structure, which is easy to install and space-saving (miniaturization). The adjustment of the elements to be interconnected (optical fiber, substrate and opto-electronic elements) can be done passively. It is a high reliability and durability reachable.
Der Substratwerkstoff kann gleichzeitig zur optischen Strahlführung der elektromagnetischen Strahlung und als Substrat für die opto-elektronischen Elemente sowie die elektrisch leitenden Verbindungen und die Kontaktierung genutzt werden. Für eine Strahlumlenkung sind keine zusätzlich zu montierenden Elemente, wie z. B. Reflektoren erforderlich. Es ist eine gute Skalierbarkeit bei der Herstellung möglich. Optische Steckverbinder, die die Zuverlässigkeit nachteilig beeinflussen würden, sind verzichtbar. Es ist keine nachteilige Freistrahlführung der elektromagnetischen Strahlung gegeben.The substrate material can be used simultaneously for the optical beam guidance of the electromagnetic radiation and as a substrate for the optoelectronic elements as well as the electrically conductive connections and the contacting. For a beam deflection are no additional elements to be mounted, such. B. reflectors required. There is a good scalability in the production possible. Optical connectors that would adversely affect reliability are dispensable. There is no disadvantageous free guidance of the electromagnetic radiation.
Mit der Erfindung können Bauelemente, die optische und elektrische Funktionen gleichzeitig durchgeführt werden können, als ein einziges Bauelement zur Verfügung gestellt werden. Dabei können an einem Bauelement mehrere optoelektronische Elemente (z. B. elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelnde Elemente, elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente) an einem Bauelement ggf. mit mehreren Lichtleitfasern vorhanden sein. Erfindungsgemäße Bauelemente können aber auch aneinander gereiht angeordnet werden.With the invention, components that can perform optical and electrical functions simultaneously are provided as a single device. In this case, a plurality of optoelectronic elements (eg, electromagnetic radiation in electrical energy-converting elements, electromagnetic radiation emitting elements) may be present on a component optionally with a plurality of optical fibers on one component. However, components according to the invention can also be arranged in a row.
Besonders vorteilhaft ist es, dass eine Freistrahlführung durch Hohlräume oder Kavitäten vermieden und/oder eine nachträgliche Manipulation der in Bezug zu einem optoelektronischen Element ausgerichteten Lichtleitfaser vermieden werden kann. Außerdem ist eine „Selbstjustage” von Lichtleifasern in Bezug zu einem optoelektronischen Element erreichbar. Optoelektronische Elemente müssen in Bezug zu einer elektrischen Leiterbahnstruktur positioniert werden, wobei dafür an sich bekannte Anlagentechnik und Verfahren eingesetzt werden können. Es kann beispielsweise ein bereits an seiner Oberfläche vorprozessierter Wafer als Substrat eingesetzt werden, der zusätzlich noch durch die Ausbildung nutenförmiger Vertiefungen oder Bohrungen für Lichtleitfasern, deren Positionierung und Fixierung bearbeitet werden muss. Es kann auch zusätzlich noch erforderlich sein, eine Bearbeitung zur Ausbildung reflektierender Flächen sowie ggf. deren Beschichtung durchzuführen. Abweichungen bei der Ausrichtung können bei maximal 0,5 μm gehalten werden.It is particularly advantageous that a free-jet guidance through cavities or cavities can be avoided and / or a subsequent manipulation of the optical fiber oriented in relation to an optoelectronic element can be avoided. In addition, a "self-adjustment" of optical fibers with respect to an optoelectronic element can be achieved. Optoelectronic elements must be positioned in relation to an electrical interconnect structure, whereby known plant technology and methods can be used for this purpose. For example, a wafer which has already been pre-processed on its surface can be used as the substrate, which additionally has to be processed by forming groove-shaped depressions or holes for optical fibers, their positioning and fixing. In addition, it may also be necessary to carry out a processing for the formation of reflective surfaces and possibly their coating. Deviations in the alignment can be kept at a maximum of 0.5 microns.
Dabei ist eine passive Montage möglich, bei der auf aufwändige Justierung verzichtet werden kann. Lichtleitfasern können so in Bezug zu einem Anschlag, einem optoelektronischen Element mit der daran angeschlossenen elektrischen Leiterbahnstruktur positioniert werden. Verluste, also nicht nutzbare Anteile an elektromagnetischer Strahlung können minimiert werden.In this case, a passive assembly is possible in which can be dispensed with elaborate adjustment. Optical fibers can thus be positioned in relation to a stop, an optoelectronic element with the electrical interconnect structure connected thereto. Losses, ie unusable proportions of electromagnetic radiation can be minimized.
Wie bereits angesprochen können elektrische Leiterbahnen, elektrische Kontakte und optoelektronische Elemente an einer oder zwei gegenüberliegenden Seiten eines Bauelements angeordnet sein, so dass bei einem quader- oder würfelförmigen Bauelement noch vier Oberflächen zur Verfügung stehen, an denen weitere Bauelemente in einer Reihenanordnung angeordnet werden können.As already mentioned, electrical interconnects, electrical contacts and optoelectronic elements can be arranged on one or two opposite sides of a component, so that in the case of a cuboid or cube-shaped component four more surfaces are available at which further components can be arranged in a series arrangement.
Die Kontaktierung erfindungsgemäßer Bauelemente kann vorteilhaft durch Kleben, Reibschweißen oder Thermokompression erreicht werden, ein Bonden ist nicht erforderlich, könnte ggf. aber auch genutzt werden. Es können dabei Lötbälle, Schleifen (Leadframes) oder ein Verbindungssystem für integrierte Schaltungen (LGA) eingesetzt werden.The contacting of components according to the invention can be advantageously achieved by gluing, friction welding or thermocompression, a bonding is not required, but could possibly also be used. It can solder balls, loops (leadframes) or an interconnection system for integrated circuits (LGA) can be used.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert werden. Die in den unterschiedlichen Beispielen genutzten und beschriebenen Merkmale können unabhängig vom jeweiligen Beispiel miteinander kombiniert werden und sind nicht auf das jeweilige Beispiel beschränkt.The invention will be further explained by way of examples. The features used and described in the various examples can be combined independently of each other and are not limited to the respective example.
Dabei zeigen:Showing:
Für alle nachfolgend noch zu beschreibenden Beispiele wurde als Substratwerkstoff ein Borsilikatglas (81% SiO2, 13% B2O3, 4% Na2O, 2% Al2O3) eingesetzt, das eine optische Brechzahl von 1,47 bei einer Wellenlänge von 830 nm aufweist. Es wurde eine Lichtleitfaser
Zur Fixierung der Lichtleitfaser
Die
In der unten gezeigten Draufsicht dieses Beispiels wird die Anordnung der Elemente in Bezug zueinander deutlich. Das Element
Bei dem in
Vor dem Einlegen, Justieren und Positionieren der Lichtleitfaser
Bei diesem Beispiel ist die reflektierende Fläche
Zumindest die reflektierende Fläche
Bei den
Bei dem in
Auch bei diesem Beispiel wird die nutenförmige Vertiefung, in die die Lichtleitfaser
Mit der weiteren Vertiefung
Bei dem in
Bei dem in
Bei dem in
Bei dem in
Bei dem in
Das in
Die in den
Bei dem in
Bei dem Beispiel nach
Analog dazu ist auch das in
Bei dem in
An der Unterseite des Substrats
Alle beispielhaft beschriebenen Bauelemente können auf bzw. an beliebige(n) andere Bauelemente(n), wie beispielsweise Rotorblättern befestigt werden, dies kann allein oder zusätzlich mit einer Vergussmasse erfolgen, die einen dauerhaften hermetischen Abschluss gegenüber der Umgebung bildet. Sie sollte ein angepasstes thermisches Ausdehnungsverhalten, eine geeignete Plastizität und/oder Elastizität, eine Resistenz gegen korrosive Angriffe, elektrisch isolierend und Feuchtigkeitsdicht sein, wobei diese Eigenschaften dauerhaft beibehalten werden sollten.All components described by way of example can be fastened to or on any other components, such as rotor blades, for example, this can be done alone or additionally with a potting compound which forms a permanent hermetic seal against the environment. It should be an adapted thermal expansion behavior, a suitable plasticity and / or elasticity, a resistance to corrosive attacks, electrically insulating and moistureproof, these properties should be permanently maintained.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lichtleitfaseroptical fiber
- 22
- Substrat (optisch transparent)Substrate (optically transparent)
- 2a2a
- Substrat (optisch nicht transparent)Substrate (optically not transparent)
- 33
- reflektierende Flächereflective surface
- 44
- elektromagnetische Strahlung emittierendes Elementelectromagnetic radiation emitting element
- 55
- elektromagnetische Strahlung in Elektroenergie wandelndes Elementelectromagnetic radiation into electrical energy converting element
- 66
- einen Anschlag bildender Werkstoffa stop forming material
- 77
- nutenförmige Vertiefunggroove-shaped recess
- 88th
- elektrische Leiterbahnelectrical trace
- 99
- elektrischer Kontakt (z. B. Balls)electrical contact (eg balls)
- 1010
- Einhausung (z. B. Glob top)Housing (eg Glob top)
- 1111
- elektrische Durchkontaktierungelectrical via
- 1212
- elektrische Kontakteelectrical contacts
- 1313
- Wellenleiter (geschrieben z. B. durch Femtosekundenlaser)Waveguide (written eg by femtosecond lasers)
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201210022634 DE102012022634B3 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Component e.g. electrical component, for e.g. coupling of electromagnetic radiation into multi-mode-fiber in photonic/optical building technology, has fiber front surface connected with substrate material, and marks provided at substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201210022634 DE102012022634B3 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Component e.g. electrical component, for e.g. coupling of electromagnetic radiation into multi-mode-fiber in photonic/optical building technology, has fiber front surface connected with substrate material, and marks provided at substrate |
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| Publication Number | Publication Date |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102012022634B3 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE102022101222A1 (en) | 2022-01-19 | 2023-07-20 | Huber+Suhner Cube Optics Ag | Coupler and method of making a coupler |
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-
2012
- 2012-11-14 DE DE201210022634 patent/DE102012022634B3/en not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
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| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
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Effective date: 20150217 |
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |