DE69118553T2 - Lichtwellenleiterstruktur - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtwellenleiteranordnungen und insbesondere Anordnungen, bei denen Wegbereiche und Begrenzungsbereiche auf einem Primärsubstrat angeordnet sind.
• Bei einer Lichtwellenleiteranordnung können viele Wegbereiche vorhanden sein, beispielsweise sind bei optischen Schaltern komplizierte Wegbereiche bekannt, bei denen die Strahlung von einem Weg zu einem anderen geleitet werden kann.
• Eine bekannte Form einer Lichtwellenleiteranordnung umfaßt ein Primärsubstrat, auf dem Wellenleiter dadurch gebildet werden, daß ein Wellenleitermaterial in die Nuten im Substrat eingebracht wird. Um die Verbindung zwischen den Wellenleitern und den Fasern zu erleichtern, reicht das Wellenleitermaterial in jeder Nut bis kurz vor die Kante der Anordnung, und die Enden der Fasern sind in Nuten angeordnet, in denen sich kein Wellenleitermaterial befindet, sodann wird der Kern jeder Faser optisch Ende an Ende mit einem Wellenleiter gekoppelt. Eine derartige Anordnung ist in J.T. Boyd und S. Sriram, "Optical Coupling from Fibers to Channel Waveguides Formed on Silicon, APPLIED OPTICS, 17, (6) , 15. März 1978, angegeben.
• Bei der offenbarten Anordnung umfaßt der Wellenleiter ein polymeres Kunststoffmaterial, Polyurethan, das aus einer Lösung in die Nut eingebracht wird. Es ist selbstverständlich zweckmäßig, wenn die Verbindung zwischen einer Faser und einem Wellenleiter physisch robust ist. In diesem Fall kann das Polyurethan auch als Klebemittel dienen, um die Faser an Ort und Stelle festzuhalten.
• Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Materialien, aus denen die optischen Komponenten hergestellt sind, aus dem gleichen Materialsystem bestehen. Das erleichtert u.a. die Herstellung. Da Lichtwellenleiteranordnungen auf der Basis von Silicium vorteilhaft sind, so daß sie beispielsweise in den Vorrichtungen integriert sein können, ist es vorteilhaft, keine Kunststoffe als Wellenleitermaterial zu verwenden, sondern stattdessen Wellenleitermaterial auf der Basis von Silicium zu verwenden.
• Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, daß es möglich ist, Wellenleitermaterial mit einer Anordnung zu verwenden, die mit einer Faser oder einem Faserende verbunden ist, und daß dennoch ein ausreichend robustes Bauteil für die Verwendung in der Praxis erhalten wird, das darüberhinaus relativ einfach herzustellen ist.
• Eine Lichtwellenleiteranordnung auf der Basis eines Silicium-Wellenleiters, die mit einer Faser verbunden ist, ist in N. Shimizu, "Fusion Splicing between Deposited Silica Waveguides and Optical Fibers", ELECTRONICS AND COMMUNICATIONS IN JAPAN, September 1984, Nr. 9, angegeben. In dieser Veröffentlichung werden mechanische Robustheit und niedrige Kopplungsverluste durch das thermische Spleißen von Faser und Wellenleiter erzielt. Das Montageverfahren ist jedoch durch die Ausrichtprozedur der Faser und des Wellenleiters kompliziert, die sich auf eine Optimierung der übertragenen Leistung vor dem Schritt des thermischen Spleißens stützt.
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optische Vorrichtung angegeben, die umfaßt: (a) einen Wafer zur mechanischen Abstützung, (b) eine Lichtwellenleiteranordnung, die auf dem Substrat gelagert ist, und die mindestens einen Lichtwellenleiterwegbereich umfaßt, dessen Materialien eine Glasstruktur aufweisen, (c) mindestens ein Faserende oder einen Faserendabschnitt, der: (c1) zwischen zwei Schichten der optischen Vorrichtung angeordnet und darin mit einem Material befestigt ist, das eine Glasstruktur aufweist, (c2) vollständig in der Lichtwellenleiteranordnung integriert ist, (c3) direkt mit einem der Wegbereiche verbunden ist, (c4) mit mindestens einem Endabschnitt des Wegbereichs fluchtet, mit dem er direkt verbunden ist, und (c5) über die Kante des Substrats hinausragt, wobei (c) sich in eine Nut erstreckt, die in (a) angeordnet ist.
• Die Erfindung ist in den Ansprüchen im Detail definiert.
• Obwohl Materialien mit einer Glasstruktur im allgemeinen physikalisch nicht robust sind, zeichnen sich die optischen Vorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dennoch durch eine akzeptierbare mechanische Festigkeit aus. Durch Installieren des Endabschnitts einer Faser oder eines Faserendes in einer Nut, die sich bis zur Kante des Substrats erstreckt, ist es besonders leicht, die der Nut zugeordneten Materialien des Wegbereichs derart einzubringen, daß zumindestest der Endabschnitt dieses Wegbereichs mit dem Endabschnitt der Faser oder dem Faserende fluchtet. Des weiteren ergibt sich durch das Aufbringen des Materials des Wegbereichs in einem Herstellungsschritt, der auf den Schritt des Einbringens des Endabschnitts der Faser oder des Faseranschlusses in die Nut folgt, eine derartige Ausformung des Materials des Wegbereichs gegenüber der Endfläche der Faser oder des Endabschnitts des Faseranschlusses, daß eine potentiell ausgezeichnete optische Verbindung erzeugt wird. Durch diese Anordnung kann sich auch eine geeignete Toleranz der Längsanordnung des Endabschnitts der Faser oder des Faserendes in der Nut ergeben.
• Durch Verwendung eines Faserendes anstelle einer ganzen Faser wird die Herstellung optischer Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung relativ einfach. Wenn das Faserende eine derartige Länge hat, daß sie mit einem aus der Nut hervorragenden Abschnitt in der Nut untergebracht werden kann, wobei das Gewicht des Faserendes sie in der Nut an Ort und Stelle hält, kann das Primärsubstrat zusammen mit seinem Faserende oder seinen Faserenden in die Auftragsumgebung zur Herstellung der Lichtwellenleiteranordnung eingebracht werden. Das hat den Vorteil, daß das zur Herstellung der Lichtwellenleiteranordnung verwendete Material auch das Material sein kann, das zur Befestigung des Endabschnitts der Faser oder des Faserendes in der Nut verwendet wird, das im gleichen Auftragsschritt unter nachfolgendem Ätzen aufgebracht wird, um den Wegbereich oder die Wegbereiche festzulegen.
• Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können relativ einfach hergestellt werden, da die bei der Herstellung verwendeten Materialien zum gleichen Materialsystem gehören. Darüberhinaus ist festgestellt worden, daß die Wegbereiche mit photolithographischen Standardtechniken hergestellt werden können, und nicht von den Abmessungen der Nut beeinflußt werden, die zur Befestigung der Faser oder der Faserenden erzeugt wurde.
• Als zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein in Anspruch 10 definiertes Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung angegeben.
• Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Primärsubstrat aus Silicium (Si) bestehen, wobei die Lichtwellenleiteranordnung aus Siliciumoxid (SiO&sub2;) mit Dotierungsmitteln hergestellt ist, wodurch sich die gewünschten Eigenschaften ergeben. Beispiele für Dotierungsmittel sind Germaniumoxid (GeO&sub2;) zur Erhöhung des Brechungsindex der Wegbereiche und den Schmelzpunkt absenkende Mittel, wie z.B. Phosphor und Bor, wodurch die Bearbeitung erleichtert wird.
• Die Lichtwellenleiteranordnungen können durch Anwendung bekannter Techniken, wie z B. Auftragen, Sintern, Photolithographie, Ätzen und Ablation hergestellt werden. Geeignete Auftragungstechniken zur Verwendung bei Siliciumoxid-Lichtwellenleiteranordnungen sind beispielsweise: Flammenhydrolyse und plasmaverstärkte CVD (PECVD).
• Bei Anwendung dieser Techniken ist es relativ einfach, auf der Lichtwellenleiteranordnung einen Wellenleiter zu erzeugen, der optisch außerordentlich gut mit dem Kern einer Faser oder einem Faserende gekoppelt ist. Da die Abmessungen des Wellenleiters absolut unabhängig von den Abmessungen der Nut ausgewählt werden können, in der eine Faser oder ein Faserende liegen, kann ein Wellenleiter relativ einfach derart hergestellt werden, daß er mit den Abmessungen des Faserkerns übereinstimmt und somit eine wirksame Ein- Moden-Kopplung angibt. (Es ist anzumerken, daß Ein- Moden-Fasern einen Kerndurchmessr in der Größenordnung von 8 µm aufweisen, wohingegen der Durchmesser der Beschichtung bzw. Umhüllung in der Größenordnung von 125 µm liegt.)
• Faktisch (oder tatsächlich) kann eine schnittstellenfreie optische Kopplung zwischen dem Material des Wellenleiters und dem Kern des Faserendes erreicht werden, da die gleichen oder im wesentlichen die gleichen Materialien verwendet werden können, wobei das Material des Wellenleiters "auf" dem Material des Faserendekerns "aufwachsen gelassen" wird.
• Auch wenn eine weitere Verbindung hergestellt werden muß, wenn ein Faserende verwendet wird, um einen Wellenleiterwegbereich mit der gesamten Länge einer Faser und/oder mit anderen Bauteilen zu verbinden, sind die Techniken zur Verbindung von Fasern miteinander und mit anderen Bauteilen bekannt, mit deren Hilfe Verbindungen mit sehr geringen Verlusten erzeugt werden, weshalb es sich daher um kein praktisches Problem handelt.
• Derartige andere Bauteile können beispielsweise Laser, Detektoren oder Modulatoren sein.
• Es kann von Vorteil sein, mehrere Vorrichtungen unter Verwendung eines einzigen Substrats herzustellen. Wenn die Bearbeitung abgeschlossen ist, wird das Substrat zersägt, um die einzelnen Vorrichtungen voneinander zu trennen.
• Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 Draufsicht auf einen Wafer mit Nuten zur Aufnahme der Faserenden;
• Fig. 2 Faserenden in den in Fig. 1 gezeigten Nuten;
• Fig. 3 senkrechter Schnitt durch eine der in Fig. 2 gezeigten Nuten und Fasern;
• Fig. 4 Draufsicht auf die Oberfläche des Wafers nach dem Auftrag und dem Ätzen einer Wegeschicht;
• Fig. 5 senkrechter Schnitt gemäß Fig. 3 nach der Herstellung der Wegeschicht und
• Fig. 6 senkrechter Schnitt gemäß Fig. 5 nach dem Auftragen der abschließenden Begrenzungsschicht.
• In den Beispielen wurden die folgenden Verfahren angewendet:
• (a) Flammenhydrolyse zum Auftragen poröser Schichten,
• (b) Sintern zum Verfestigen der porösen Schichten zu glasartigen Schichten und
• (c) Photolithographie zur Erzeugung vorgegebener Muster.
• Jeder dieser Schritte ist allgemein bekannt, sie werden jedoch im folgenden kurz beschrieben, um wichtige Punkte hervorzuheben.
• Die Flammenhydrolyse wird unter Verwendung einer Auftragvorrichtung durchgeführt, die einen horizontalen Drehtisch mit einem Durchmesser von etwa 500 bis 1000 mm umfaßt, der sich in der Sekunde etwa einmal dreht. Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Knallgasbrenner, der über den Radius hinein- und hinausfährt. Am heißesten Teil der Flamme beträgt die Temperatur wahrscheinlich etwa 2000 ºC, der Brenner heizt jedoch normalerweise den Drehtisch und einen beliebigen auf ihm liegenden Wafer auf 200 bis 400 ºC auf.
• Um einen Auftrag zu erzeugen, werden flüchtige Reaktionsstoffe in die Gaszufuhr zum Brenner eingebracht und unter den in der Flamme vorherrschenden Bedingungen werden diese Reaktionsstoffe in kleine Oxidpartikel umgewandelt, die normalerweise als "Ruß" bekannt sind. Der Ruß setzt sich als poröse Schicht auf den auf dem Drehtisch liegenden Wafern (und auf allem anderen, was sich in der Nähe befindet) ab. Zur Herstellung eines Wegbereichs werden SiCl&sub2; und GeCl&sub2; in die Flamme eingebracht, so daß der Ruß aus einem innigen Gemisch aus SiO&sub2; und GeO&sub2; besteht. Zur Herstellung eines Begrenzungsbereichs wird SiO&sub2; zusammen mit einem Dotierungsmittel, beispielsweise PCl&sub2; oder BCl&sub2;, in die Flamme eingebracht. In diesem Fall besteht der Ruß aus SiO&sub2; und einem den Schmelzpunkt absenkenden Mittel.
• Zum Auftragen einer Schicht wird der Drehtisch unter Verwendung einer Knallgasflamme oder eines unter dem Drehtisch eingebauten Heizelements auf die Betriebstemperatur erwärmt, ohne daß Reaktionsmittel verwendet werden. Die Wafer werden auf den erwärmten Drehtisch gelegt und erreichen sofort die Betriebstemperatur, da die Masse des Wafers klein ist. Dann erfolgt das Auftragen, wie oben beschrieben.
• Nach dem Auftragen werden die Wafer bei einer Temperatur von etwa 1350 ºC zum Sintern in einen Ofen gebracht. Diese Temperatur wird als Anfangsschmelztemperatur der Materialien des Wafers gewählt. D.h., die Materialien beginnen zu schmelzen, die Temperatur ist jedoch so niedrig, daß sie nicht vollständig flüssig werden. Unter den gewählten Bedingungen wachsen die Rußpartikel, teilweise unter dem Einfluß ihrer eigenen Oberflächenspannung, zu einer einzigen klaren Glasschicht zusammen. Die Dauer des Sinterns ist jedoch zu kurz, als daß ein merkliches Fließen stattfinden könnte, und die Bauteile, wie z.B. die Fasern, behalten beim Sintern ihre Konfiguration bei, obwohl sie zu einer Schicht aus Ruß verschmelzen, mit der sie in Kontakt sind.
• Bei der erfindungsgemäßen Photolithographie werden zwei Masken verwendet; jede dieser Masken weist in Bezug auf die andere Maske genaue Abmessungen auf. Dadurch ist gewährleistet, daß die von jeder der zwei Masken erzeugten Merkmale sich zur Erzielung sehr genauer Verbindungen in präzise aufeinander bezogenen Positionen befinden.
• Die Aufeinanderfolge der Operationen wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Der Prozeß beginnt mit Wafern, die im Handel verfügbar sind, und jeder Wafer besteht aus einem Primärsubstrat einer Dicke von etwa 0,5 bis 1 mm mit einer Pufferschicht einer Dicke von etwa 10 bis 15 um. Das Primärsubstrat ist aus Si hergestellt und die Pufferschicht, die aus SiO&sub2; hergestellt ist, wurde durch Oxidation der Oberfläche eines Siliciumwafers erhalten. An das Primärsubstrat wird die Forderung nach mechanischer Festigkeit gestellt, und es hat keine Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften der Lichtwellenleiteranordnung. (Die Dicke der Siliciumschicht ist in der Praxis wesentlich größer als in den Zeichnungen angegeben).
• Da Faserenden um die Kante eines Wafers herum angebracht werden, kann es von Vorteil sein, einen großen Wafer in kleinere Segmente zu zerschneiden, bevor die Bearbeitung beginnt. Das stimmt nicht mit der herkömmlichen Praxis überein, aber es ist nicht wesentlich schwieriger, mehrere kleine Wafer als einen großen Wafer zu bearbeiten.
• Bei der ersten Herstellungsstufe wird ein Wafer in rechtwinklige Segmente geschnitten, die Nuten werden mit Hilfe der Photolitographie erzeugt, wonach der Schritt des Trocken- oder Naßätzens folgt. In Abhängigkeit von den verwendeten Ätztechniken können die Nuten verschiedene Querschnitte aufweisen. Das wird im folgenden beschrieben. In der beschriebenen Ausführungsform haben die Nuten V-förmige Querschnitte.
• Eine erste Maske wird zur Steuerung des Ätzens verwendet, um die in Fig. 1 gezeigte Anordnung herzustellen. Diese Figur zeigt einen Wafer 10 mit sechs Nuten 11.1 bis 11.6, die um die Kante herum geätzt werden. Der Ort, die Breite und die Länge jeder dieser Nuten ist gemäß bekannter Techniken genau durch die erste Maske bestimmt. Die Tiefe der Nuten kann ebenfalls durch Steuern des Ätzvorgangs genau festgelegt werden.
• Nach dem Ätzen der Nuten ist der nächste Schritt des Verfahrens, ein Faserende 12.1 bis 12.6 in jede der Nuten 11.1 bis 11.6 so einzubringen, daß sich die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ergibt. Die Faserenden haben innere Enden 21.1 bis 21.6 und äußere Enden 22.1 bis 22.6.
• Es ist anzumerken, daß die Abmessungen jeder Nut derart gewählt sind, daß jedes Faserende durch seine eigene Nut genau in der Höhe positioniert ist. Es ist wünschenswert, daß zur Sicherstellung der mechanischen Stabilität in der nächsten Bearbeitungsstufe die sich in der Nut befindliche Faser länger ist als das aus der Nut herausragende Ende.
• Fig. 3 ist ein senkrechter Querschnitt, der jeder der Faserenden in jeder der Nuten entspricht. Das Faserende in Fig. 3 ist mit der Bezugsziffer 12 und die Nut ist mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet. Der Wafer 10 besteht aus dem Primärsubstrat 13 (dicker als in den Zeichnungen gezeigt) und der Pufferschicht 14. Man beachte, daß sich die Nut 11 durch die Pufferschicht 14 und in das Primärsubstrat 13 hinein erstreckt. Es ist erkennbar, daß die Faser 12 eine Beschichtung 15 aufweist, die etwa 60 µm dick ist, und die Nut bis zu einer Tiefe von 60 µm geätzt ist, so daß der Boden des Kerns 16 und die Spitze der Siliciumoxidschicht 14 eine Ebene aufweisen. Der Kern 16 hat einen Durchmesser von etwa 6 bis 8 µm.
• Der Wafer 10, in dem die Faserenden, wie in Fig. 3 gezeigt, angeordnet sind, und die Endfläche jedes Faserendes am blinden Ende der zugehörigen Nut anliegt, wird zum Auftragen einer Siliciumoxid- und/oder Germaniumoxid-Schicht in die Auftragsvorrichtung gebracht, wobei die oben beschriebene Technik verwendet wird. Es ist anzumerken, daß sich der Ruß beim Auftragen auf dem gesamten Substrat, auf der Faser und in jede Spalte ablagert. Jedes Faserende ist durch seine Nut präsise angeordnet, jedoch kann die laterale Anordnung etwas präziser als die Längsanordnung sein. Das läßt sich dadurch erklären, daß der Ruß dazu neigt, jeden Raum auszufüllen, jedoch behält die Längenanordnung der Faserenden eine gewisse Toleranz.
• Danach wird die Siliciumoxid- und/oder Germaniumoxid- Schicht gesintert. Während der Sinterung verfestigt sich der Siliciumoxid- und/oder Germaniumoxidruß zu einer dünnen Glasschicht, die den Wafer vollständig bedeckt und wie ein Klebemittel wirkt, um die Faser in ihrer Nut zu befestigen. Da darüberhinaus, unabhängig von der Längsanordnung der Faser, die Schicht die gesamte Oberfläche bedeckt, hat die Schicht die Tendenz, an jedem inneren Faserende 21 mit dem Kern 16 zu verschmelzen.
• Wie oben erwähnt, kann der Kern beim Sintern anfangen zu schmelzen, doch wird der Faseraufbau nicht angegriffen. Nichtsdestoweniger wird durch den Schmelzbeginn eine ausgezeichnete optische Verbindung zwischen jedem Kern und der neu aufgebrachten Wegeschicht gewährleistet.
• Nach dem Sintern der Siliciumoxid- und/oder Germaniumoxid-Schicht wird mit Hilfe einer zweiten Maske ein photolithographisches Ätzverfahren durchgeführt. Da die zweite Maske in Bezug auf die erste Maske genau dimensioniert ist, kann die zweite Maske präzise angeordnet werden, so daß sich ein gewünschtes Muster der Bahnen bzw. Wegebereiche 17.1 bis 17.3 ergibt, die mit den Faserenden verbunden sind.
• Ferner wird in Fig. 4 ein Bereich 18 der Siliciumoxid- und/oder Germaniumoxid-Schicht über jedem Faserende 12.1 bis 12.6 übriggelassen und wirkt als Schutz. Es ist anzumerken, daß sich dieses Material überall um die Faser herum und in die Nut hinein erstreckt, wodurch es als Klebemittel wirkt, das die Faser in der Nut festhält. Auch in Fig. 4 sind die Wegebereiche 17.1, 17.2 und 17.3 zu sehen, die mit den Faserenden 12.1 bis 12.6 verbunden sind.
• Fig. 5 zeigt, daß der Kern 16 jeder Faser 12 am inneren Ende 21 direkt mit einem aufgebrachten Wegebereich 17 verschmolzen wird. Fig. 5 zeigt ferner, wie Material 20 von der Siliciumoxid- und/oder Germaniumoxid-Schicht auf das innere Ende 21 jedes Faserendes 12 aufgebracht ist, aber das beeinträchtigt im allgemeinen nicht wesentlich die optische Kopplung beim Betrieb einer Lichtwellenleiteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Idealerweise sollte die chemische Zusammensetzung derart gewählt sein, daß der Kern 16 genau die gleiche chemische Zusammensetzung wie der zugehörige aufgebrachte Wegebereich 17 aufweist. Daher wird durch die Verschmelzung zwischen Kern 16 und Wegebereich 17 eine ausgezeichnete optische Verbindung ohne eine materielle Schnittstelle erzeugt, die eine Reflexion verursachen könnte.
• Der Wafer wird in die Auftragevorrichtung zurückgeführt, in der abschließend eine Begrenzungsschicht 19 aufgetragen wird, die ebenfalls gesintert wird. Wie Fig. 6 zeigt, erstreckt sich die Abschlußschicht 19 über das gesamte Substrat 10 und über die Faserenden und die Bahnen 17. Fig. 6 zeigt ferner, daß die Abschlußschicht 19 mit der Beschichtung 15 der Faser 12 verschmolzen ist und sich zwischen den Wegebereichen 17 erstreckt, wo sie mit der Pufferschicht 14 in Kontakt kommt. Daher wirkt die Abschlußschicht 19 mit der Pufferschicht 14 zusammen und sie umgeben jeden Wegebereich 17, wodurch der Puffer und die Abschlußschichten 14, 19 eine Umhüllung bzw. Beschichtung bilden, die als Begrenzungsbereich der Lichtwellenleiteranordnung dient.
• Fig. 6 zeigt deutlich, daß jedes Faserende vollständig in die aufgetragene Lichtwellenleiteranordnung integriert ist, so daß sich ausgezeichnete Verbindungen mit niedrigen Verlusten ergeben. Daher ist es später einfach, externe Verbindungen beispielsweise durch Schmelzschweißen herzustellen, um so die Fasern an den äußeren Enden 22 zu verbinden.
• Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem die Faserenden auf dem Wafer angeordnet werden, bevor die Wegebereichsschicht aufgetragen wird, ist viel einfacher zu realisieren als das herkömmliche Verfahren, bei dem die Faserenden zuletzt angebracht werden. Erfindungsgemäß sind die Faserenden präzise angeordnet, da die Nuten und die Wegebereiche mit Hilfe kompatibler Masken ausgebildet werden, die dann die photolitographischen Prozesse steuern. Fehler bei der Anordnung der Fasern in den Nuten spielen eine relativ unwichtige Rolle, da die Auftragsverfahren derart sind, daß überall Material abgelagert wird und somit gute Verbindungen zu den Fasern erzielt werden. Ferner werden in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die optischen Verbindungen durch ein direktes Verschweißen identischer Materialen miteinander ausgebildet; dieses ist die beste Art und Weise, um Verbindungen zu erhalten, die niedrige Verluste aufweisen.
• Es ist anzumerken, daß viele Varianten des obigen, beispielhaft beschriebenen Verfahrens möglich sind. Einige dieser Varianten werden im folgenden genannt.
• Wie oben beschrieben, wird mit dem Prozeß bequemerweise mit einem mit dünnen Pufferschichten beschichteten Primärsubstrat begonnen. Es ist auch möglich, mit dem unbeschichteten Primärsubstrat zu beginnen, wonach dann der zusätzliche Auftragsschritt einer Pufferschicht zu erfolgen hat. Bequemerweise und bevorzugterweise könnte dieses erste Auftragen das gleiche wie das Auftragen der abschließenden Begrenzungsschicht sein. Das Auftragen der Pufferschicht bedeutet, daß Schichten jeder Dicke verwendet werden können, z.B. Schichten, die die gleiche Dicke wie die Beschichtung der Faser haben (d.h. im obigen Beispiel 60 µm). Das Auftragen der Pufferschicht ermöglicht eine weitere Alternative, nämlich, daß die Nuten geätzt werden und daß die Faserenden darin plaziert werden, bevor das Auftragen der Pufferschicht erfolgt.
• Es ist ferner anzumerken, daß jedes für das Auftragen von Schichten geeignete Verfahren verwendet werden kann. Somit können anstelle der oben beschriebenen Flammenhydrolyse die folgenden Auftragstechniken verwendet werden:
• (a) Plasmaverstärkte CVD (PECVD),
• (b) Sol-Gel-Prozeß,
• (c) CVD-Verfahren bei niederem Druck (LPCVD),
• (d) HF-Sputtern,
• (e) Ionenstrahlbedampfung.
• Es können andere Formgebungsverfahren als die Photolithographie verwendet werden, z.B. Techniken wie die Ablation mit einem Excimerlaser oder mechanische Techniken, wie z.B. Sägen. Bei diesen Techniken werden keine Masken verwendet.
• Wenn Masken verwendet werden, z.B. Photolithographie, kann der Ätzvorgang durchgeführt werden, indem Naßtechniken, wie z.B. Ätzen mit wäßrigem KOH, oder Trockentechniken verwendet werden, wie z.B. die Ionenstrahlabtragung oder das Ätzen mit reaktiven Ionen (RIE).
• Die zum Beseitigen unerwünschten Materials verwendete Technik beeinträchtigt die Form der Nut. So hängt beispielsweise bei den Naßtechniken die Abtragungsrate von der Kristallorientierung ab und es werden V- förmige Nuten erhalten. Wenn Trockentechniken verwendet werden, ergeben sich eher rechtwinklige Nuten. Wenn jedoch die Abmessungen genau sind, ist die Form des Querschnitts nicht entscheidend. So können V- förmige Nuten verwendet werden, und gerundete Nuten sind ebenfalls geeignet. Es ist hier darauf hinzuweisen, daß es möglich ist, eine Faser präzise abzustützen und kleine Lücken an der Oberfläche zu lassen. Diese Lücken werden mit dem aufgetragenen Material ausgefüllt, so daß sie im Endprodukt nicht mehr vorhanden sind. Es besteht ferner als natürliche Konsequenz des Auftragungsverfahrens die Tendenz, daß die Faserenden zuverlässig in die Nuten eingeschweißt werden.
• In den meisten Fällen reicht der Verkeilungseffekt der Faser in der Nut aus, um die Faser während des Auftragungsverfahrens festzuhalten, aber eine zusätzliche Sicherheit kann durch ein zeitweiliges mechanisches Zurückhalten, z.B. durch eine Siliciummasse, die auf den äußeren Enden der Nut aufgebracht ist, vorgesehen sein. Normalerweise ist es zweckmäßig, die mechanischen Rückhaltungen nach dem ersten Auftrageschritt zu entfernen.
• Obwohl die oben beschriebene und in den Figuren gezeigte Anordnung einen Wafer mit einem symmetrischen Feld von Faserenden und Wegebereichen umfaßt, ist es in der Praxis unwahrscheinlich, daß ein derartiges Feld geeignet ist. Es können daher ein oder mehr Faserenden pro Anordnung vorhanden sein und die Faserenden können durch einen zugehörigen Wegebereich mit einer Vorrichtung gekoppelt sein, beispielsweise mit einem passiven oder aktiven Bauelement 40 (wie in Fig. 4 gezeigt), was wahrscheinlich ist, als daß sie mit einem anderen Faserende gekoppelt sind. Bei diesem Anwendungstyp, der integrierten Anordnung, ist die Verwendung von Siliciumoxid als Lichtwellenleitermaterial besonders vorteilhaft, da das gleiche Material sowohl zur Herstellung der Vorrichtung als auch zur Herstellung des Lichtwellenleiters verwendet werden kann.
• Ferner können ein oder mehrere Wegebereiche nicht gerade sein, oder ein Wegbereich kann geteilt sein, so daß ein Faserende beispielsweise mit mehr als einer Vorrichtung oder eine Vorrichtung mit mehr als einem Faserende verbunden sein kann.

Claims (11)

1. Optische Vorrichtung, die umfaßt:

(a) einen Wafer (10) zur mechanischen Abstützung,

(b) eine Lichtwellenleiteranordnung, die auf dem Wafer (10) gelagert ist und mindestens einen Lichtwellenleiter-Wegbereich (17) umfaßt, dessen Materialien eine Glasstruktur aufweisen,

(c) mindestens ein Faserende (12) oder einen Faserendabschnitt (12), der:

(c1) zwischen zwei Schichten (13, 19) der optischen Vorrichtung angeordnet und darin mit einem Material befestigt ist, das eine Glasstruktur aufweist,

(c2) vollständig in der Lichtwellenleiteranordnung integriert ist,

(c3) direkt mit einem der Wegbereiche (17) verbunden ist,

(c4) mit mindestens einem Endabschnitt des Wegbereichs (17) fluchtet, mit dem er direkt verbunden ist, und

(c5) über die Kante des Substrats hinausragt, wobei das mindestens eine Faserende oder der Faserendabschnitt sich in einer Nut (11) erstreckt, die im Wafer angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtwellenleiteranordnung Begrenzungsbereiche (19) umfaßt, und die Faser (12) einen Kern (16) aufweist, der von einer Beschichtung (15) umgeben ist, und die Materialien der Begrenzungsbereiche, des Kerns und der Beschichtung eine Glasstruktur aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Materialien des Wegbereichs oder der Wegbereiche (17) und des Kerns (16) oder der Kerne (16) gleich oder im wesentlichen gleich sind und die Materialien der Begrenzungsbereiche (19) und der Beschichtung (15) oder der Beschichtungen (15) gleich oder im wesentlichen gleich sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Faserende (12) aufweist, bei dem mehr als die Hälfte seiner Länge vollständig in die Anordnung integriert ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mehrere Faserendabschnitte oder Faserenden (12) aufweist, die jeweils vollständig in die Anordnung integriert sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine Glasstruktur aufweisenden Materialien sowohl des Wegbereichs oder der Wegbereiche (17) als auch des Kerns oder der Kerne (16) Siliciumoxid enthalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Materialien sowohl des Wegbereichs oder der Wegbereiche (17) als auch des Kerns oder der Kerne (16) Siliciumoxid mit Germaniumoxid zur Erhöhung des Brechungsindex enthalten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Materialien der Beschichtung (15) der Faser oder der Faserenden (12) und der Begrenzungsbereiche (19) der Lichtwellenleiteranordnung Silciumoxid mit Dotierungsmitteln zur Absenkung des Schmelzpunktes enthalten.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wafer (10) ein Primärsubstrat (13) aus Silicium und eine Pufferschicht (14) aus Siliciumoxid umfaßt.

10. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten:

(i) Ausbilden mindestens einer Nut (11) in einem Wafer (10) mit einer Pufferschicht (14) aus Begrenzungsmaterial, die auf dem Primärsubstrat (13) aufgebracht ist, wobei die Nut am vorgegebenen Ende eines vorgegebenen Wegbereichs (27) angeordnet ist;

(ii) Anordnen des inneren Endes (21) einer Faser oder eines Faserendes (12) in der Nut, wobei das äußere Ende (22) aus der Nut herausragt;

(iii) Aufbringen einer Wegeschicht auf dem Wafer und Sintern der Schicht zur Herstellung von direkten Verbindungen zwischen der Schicht und dem Kern (12) des inneren Endes (21) der Faser oder des Faserendes;

(iv) Entfernen unerwünschter Teile der Wegeschicht, um einen Wegbereich (17) zu erhalten, der mit dem Kern der Faser oder des Faserendes verbunden ist, und

(v) Aufbringen einer Begrenzungsschicht (19) auf den Wegbereich, wodurch die Begrenzungsschicht mit der Pufferschicht zusammenwirkt, um die Beschichtung der Lichtwellenleiteranordnung zu bewirken; wodurch die Faser oder das Faserende, die/das in der Nut angeordnet ist, durch die Schritte (iii) und (v) vollständig in die Anordnung integriert werden.

11. Integrierte optische Vorrichtung, die eine Faser oder ein Faserende (12) umfaßt, die/das mit einem aktiven oder passiven Bauelement, beispielsweise einem optoelektronischen, elektrooptischen, elektronischen oder einem ähnlichen Bauelement verbunden ist, wobei die integrierte optische Vorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist und das aktive oder passive Bauelement auf dem Primärsubstrat gelagert und optisch mit dem Wegbereich verbunden ist.