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Dokumentenidentifikation DE69801570T2 27.06.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0974077
Titel VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG OPTISCHER STÄBE MIT DREIDIMENSIONAL STRUKTURIERTEN ENDFLÄCHEN
Anmelder Digital Optics Corp., Charlotte, N.C., US
Erfinder JOHNSON, G., Eric, Charlotte, US;
FELDMAN, R., Michael, Charlotte, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69801570
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.04.1998
EP-Aktenzeichen 989180427
WO-Anmeldetag 08.04.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/06933
WO-Veröffentlichungsnummer 0009847045
WO-Veröffentlichungsdatum 22.10.1998
EP-Offenlegungsdatum 26.01.2000
EP date of grant 05.09.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.06.2002
IPC-Hauptklasse G03F 7/00

Beschreibung[de]

Die US-Regierung kann Rechte an der vorliegenden Erfindung gemäß der durch das Naval Surface Warfare Center herausgegebenen Regierungs-Vereinbarung Nr. N0017 8-97-C-3058 haben.

Zugehörige Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität basierend auf der vorläufigen Anmeldung mit der Nr. 60/043,285, angemeldet am 11. April 1997, mit dem Titel "Wafer Processing of Multiple Glass Rods For Incorporating Optical Elements On The Ends Thereof". Die vorliegende Anmeldung bezieht sich ebenso auf die US-Patentanmeldung Nr. 08/991,803 mit dem Titel "Optical Rods With Three-Dimensional Patterns Thereon And Related Structures", gleichzeitig damit eingereicht.

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Optik und insbesondere Verfahren zum Formen optischer Strukturen.

Hintergrund der Erfindung

Single-Mode-faseroptische Datenverbindungen wurden als Alternative zu Multimode-Faser-Datenverbindungen entwickelt. In einer Single-Mode-Faser breitet sich ein einzelner räumlicher Modus aus, so dass modale Rauschwirkungen verringert werden. Optische Single-Mode-Systeme können jedoch außerordentlich empfindlich für Ausrichtungsfehler sein. Eine Empfindlichkeit für Ausrichtungsfehler kann insbesondere kritisch sein, wenn eine Datenverbindung in einer extremen Umgebung verwendet wird, wo sie Vibrationen oder Schocks ausgesetzt ist. Staub und Schmutz kann bei einer im Stand der Technik bekannten Single- Mode-Faserverbindung ebenfalls problematisch sein.

Eine faseroptische Single-Mode-Verbindung entsprechend dem Stand der Technik ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Wie gezeigt, sind zwei optische Single- Mode-Fasern 11 in Hülsen 13 eingesetzt, die mit einem Feder-belasteten, rostfreien Stahl-Mantel 15 zusammengehalten werden. Die Federn halten die Hülsen unter Druck, in einem Versuch, die Hülsen jederzeit in Berührung zu halten. Eine keramische Buchse 17 umfasst die Hülsen, um die Hülsen und die Fasern in Längsrichtung ausgerichtet zu halten. Diese Buchse wird daher maschinell auf Toleranzen innerhalb 1 Mikron bei dem inneren Durchmesser bearbeitet. Wenn Licht von einer ersten der Fasern über die Verbindung zu der zweiten Faser gesendet wird, können Nachwirkungs-Verluste auftreten.

Die Hülsen können jedoch in die und aus der Buchse gleiten als ein Ergebnis mehrerer Stöße und/oder Vibrationen und dadurch eine Lücke zwischen den zwei Fasern 11 erzeugen. Diese Lücke kann optische Verluste über akzeptable Pegel hinaus erhöhen. Weiterhin kann ein einzelner Staub-Partikel zwischen den entsprechenden Kern-Abschnitten der zwei optischen Fasern einen signifikanten Teil der dazwischen gesendeten Strahlung blockieren.

Gradienten-Index-(GRIN)-Linsen wurden zum Kollimieren und Fokussieren von Licht in Faser-Schalt- und Verbindungs-Systemen verwendet. GRIN-Linsen können jedoch relativ groß im Vergleich mit den Abmessungen optischer Fasern sein und erhöhen somit die Gesamt-Packungsgröße und verringern Umschalt-Dichten. GRIN-Linsen können ebenfalls beschränkt sein auf einfache optische Fokussierungs- und Kollimations-Funktionen, während gegenwärtige Breitband-Netzwerke komplexe Funktionen zum Wellenlängen-Multiplexen (WDM) erfordern können.

Die europäische Patentanmeldung 0 256 810 lehrt das Formen eines optischen Stabes zum Bilden einer Phasen-Platte oder einer Zonen-Platte. Die europäische Patentanmeldung 0 627 641 lehrt das Ausbilden einer Matrix von Stäben mit linsenförmigen Spitzen unter Verwendung der Differenz in Ätz-Zeiten für das Umhüllungs- und Kern-Material. Das US-Patent Nr. 4,761,062 lehrt das Bereitstellen einer Matrix aus Stäben mit einer Materialschicht über den Stäben. Keine von diesen offenbart ein gleichzeitiges Bearbeiten einer Mehrzahl von Stäben einschließlich des Schneidens der Stäbe zum Bilden von Wafern und Separieren der Stäbe in einem Wafer nach einer solchen Verarbeitung.

Deshalb besteht weiterhin einen Bedürfnis im Stand der Technik nach verbesserten Verfahren und Strukturen zum Verbinden von zwei optischen Fasern zum Verringern der optische Verluste für dazwischen gesendete Signale.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zum Ausbilden verbesserter optischer Stäbe anzugeben. Diese Aufgabe wird bereitgestellt entsprechend der vorliegenden Erfindung durch das Verfahren, wie in Anspruch 1 angegeben.

Insbesondere kann jeder der optischen Stäbe ein Glasstab sein und die dreidimensionalen Muster können diffraktive optische Muster, refraktive optische Muster und/oder Muster-Schichten sein. Diese verschiedenen optischen Muster können verwendet werden, um Strahl-Formgebungs-Funktionen, Muster- Erzeugungs-Funktionen, Diffusions-Funktionen, Kollimations-Funktionen, Fokussierungs-Funktionen und/oder Wellenlängen-Multiplex-Funktionen bereitzustellen.

Die Mehrzahl optischer Stäbe kann unter Verwendung eines Epoxidharzes in einer eng gefassten Matrix zusammengefasst werden. Alternativ kann eine Mehrzahl paralleler Nuten auf der Oberfläche eines ersten Trägers ausgebildet werden, die optischen Stäbe können in den Nuten angeordnet werden und ein zweiter Träger kann auf der Oberfläche des ersten Trägers angebracht werden, so dass die optischen Stäbe sich in den parallelen Nuten zwischen den ersten und zweiten Trägern befinden. Weiterhin einen die Nuten V-förmige Nuten sein, welche durch Ätzen eines Silikon-Trägers ausgebildet werden. Gemäß einer weiteren Alternative ist die Mehrzahl optischer Stäbe in einer Matrix innerhalb eines äußeren Zylinders angebracht. In einem anderen Fall kann ein Ende von jedem der Mehrzahl der optischen Stäbe gleichzeitig geformt werden.

Der Schritt des Verbindens der Mehrzahl optischer Stäbe kann die Schritte des Verbindens zu einer Mehrzahl optischer Fasern in einer Matrix und Schneiden der Matrix optischer Fasern entlang einer Richtung senkrecht zu der Achse von jeder der optischen Fasern beinhalten, wobei dadurch die Endflächen von jedem der optischen Stäbe freigelegt werden. Entsprechend kann eine Mehrzahl von Matrizen optischer Stäbe aus einer einzelnen Matrix optischer Fasern geschnitten werden. Weiterhin haben aus etwa dem gleichen Abschnitt der Matrix optischer Fasern geschnittene Matrizen optischer Stäbe im Wesentlichen die gleiche Orientierung der Stirnseiten optischer Stäbe. Ein gemeinsamer Masken-Satz kann somit verwendet werden, um mehrere aus benachbarten Abschnitten der ursprünglichen Faser-Matrix geschnittene Matrizen optischer Stäbe zu formen.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann somit verwendet werden, um eine Mehrzahl geformter optischer Stäbe anzugeben, die jeder eine Breite (oder einen Durchmesser) von 1 mm oder weniger und eine Länge von 6 mm oder weniger aufweisen. Entsprechend können die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um GRIN-Linsen mit Breiten (oder Durchmessern) von zum Beispiel 500 Mikron oder 250 Mikron zu formen, und um das Stäbe mit Durchmessern von 125 Mikron zu formen, welche in den Abmessungen kompatibel mit dem konventionellen optischen Fasern sind. Diese exakt geformten micro- optischen Stäbe können somit bei der Herstellung faseroptischer und micro- optischer Systemen verwendet werden. Insbesondere können diffraktive Muster, refraktive Muster und reflektive Muster auf den Endflächen der micro-optischen Stäbe der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnitts-Ansicht eines bekannten faseroptischen Verbinders;

Fig. 2 ist eine erheblich vergrößerte Querschnitts-Ansicht der Buchse, Hülsen und optischen Fasern in Fig. 1;

Fig. 3a ist eine Querschnitts-Ansicht eines erweiterten faseroptischen Strahl- Verbinders mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Glasstab;

Fig. 3b ist eine vergrößerte Querschnitts-Ansicht eines Glasstabs in Fig. 3a;

Fig. 4 ist ein Foto eines geformten Endes eines Glasstabs, ausgebildet gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist eine Darstellung, welche Verbinder-Verluste als eine Funktion der Längs-Separation für eine stumpf gekoppelte faseroptische Verbindung (Kreise) aus dem Stand der Technik und für eine erweiterte faseroptische Strahl- Verbindung (Quadrate) mit erfindungsgemäß ausgebildeten Glasstäben darstellt;

Fig. 6 ist eine End-Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten, verbundenen Faser-Matrix;

Fig. 7 ist ein zum Bilden eines diffraktiven Musters auf einem Glasstab verwendetes Maskierungs-Muster gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8a-8f sind Querschnitts-Ansichten, welche zum Ausbilden eines diffraktiven Musters auf einem Glasstab gemäß der Erfindung verwendet werden;

Fig. 9a ist ein Blockschaltbild eines zum Erzeugen fotolithografischer Masken für einen Wafer verbundener optischer Stäbe gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden Systems;

Fig. 9b ist eine unter Verwendung des Systems in Fig. 9a ausgebildete fotolithografische Maske;

Fig. 10a ist eine Querschnittsansicht eines optischen Stabes mit einem diffraktiven Muster, ausgebildet gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10b ist eine Querschnittsansicht eines optischen Stabes mit einem ausgebildeten refraktiven Muster gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10c ist eine Querschnittsansicht eines optischen Stabes mit einem ausgebildeten Muster gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Matrix optischer Fasern, angeordnet in V-Nuten darstellt, ausgebildet gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12a und 12b sind Querschnittsansichten, welche zum Ausbilden von V- Nuten in einem Träger gemäß Fig. 11 verwendete Schritte darstellen;

Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht, welche eine gestapelte Matrix von Trägern mit V-Nuten und optischen Fasern darstellt, ausgebildet gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Die vorliegende Erfindung wird jetzt nachfolgend umfassender anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und soll nicht als auf die hierin angegebenen Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden; diese Ausführungsformen sind vorgesehen, damit die Offenbarung genau und vollständig ist und dem Durchschnittsfachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. In den Zeichnungen sind die Abmessungen der Elemente zur Klarheit vergrößert. Gleiche Zahlen bezeichnen durchgängig gleiche Elemente. Es versteht sich ebenfalls, dass, wenn ein Element als "an" einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt an dem anderen Element sein kann, oder dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können.

Ein optischer Faser-Verbinder mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Stab ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Wie gezeigt, sind zwei optischer Fasern 21a und 21b in entsprechende Hülsen 23a und 23b eingesetzt, welche innerhalb der Buchse 25 ausgerichtet sind, wie vorher. Zusätzlich sind die Glasstäbe 27a und 27b an den Enden der optischen Fasern innerhalb der Hülsen vorgesehen. Wie in Fig. 3b gezeigt, kann ein Epoxidharz 29 verwendet werden, um den Glasstab 27a mit dem Ende der optischen Faser 21a zu verbinden und ein dreidimensionales Muster 31a kann an dem Ende des Glasstabs 27a gegenüber der optischen Faser 21a vorgesehen sein. Insbesondere kann das dreidimensionale Muster 31a verwendet werden, um eine diffraktive Linse oder eine refraktive Linse an dem Ende des Glasstabs vorzusehen. Ebenso kann ein Epoxidharz verwendet werden, um die optische Faser 21b und den Glasstab 27b zu verbinden und ein dreidimensionales Muster 31b kann an dem Ende des Glasstabs 27b gegenüber der optischen Faser 21b vorgesehen sein.

Die Glasstäbe 27a und 27b können jeder mit einer diffraktiven Linse versehen sein, wie oben erläutert, um optische Verluste bei der Lichtübertragung zwischen den zwei optischen Fasern 21a und 21b zu verringern. Die Wirkungsweise der Glasstäbe wird jetzt anhand von Fig. 3a erläutert für Licht, das von der ersten optischen Faser 21a zu der zweiten optischen Faser 21b gesendet wird. Licht wird allgemein durch die zentrale Kern-Region einer optischen Faser übertragen. Entsprechend wird sich durch die erste optischer Faser 21a übertragenes Licht ausbreiten, wenn es den Glasstab 27a durchläuft, welcher einen einheitlichen Brechungsindex über seinen Durchmesser aufweist. Die diffraktive Linse 31a kann somit verwendet werden, um den sich ausbreitenden Strahl zu kollimieren. Die diffraktive Linse 31b an dem zweiten Glasstab 27b kann dann verwendet werden, um den ausgebreiteten und kollimierten Strahl in den Kern der zweiten optischen Faser 21b zu fokussieren. Die Endfläche eines Glasstabs mit einer darauf geformten diffraktiven Linse ist in Fig. 4 dargestellt. Die diffraktive Linse in Fig. 4 insbesondere ein diffraktives Acht-Phasen-Ebenen-Muster, geätzt auf einen Glasstab mit 125 Mikron Durchmesser. Dieser micro-optische Stab passt somit enganliegend in eine Standard-Buchse zum Bereitstellen einer optischen Faserverbindung für einen erweiterten Strahl mit Kopplungs-Wirkungen mit Verlusten von weniger als 1 dB und mit einem hohen Grad von Kollimation.

Die Empfindlichkeit für Schwingungen und Stöße kann somit verringert werden, so dass der ausgebreitete und kollimierte Strahl veränderliche Lücken zwischen den Glasstäben mit verringerten optischen Verlusten überqueren kann. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die optischen Verluste, bezogen auf den Versatz, relativ invariant für Verbinder mit ausgebreiteten Strahlen. Wie weiterhin in Fig. 5 gezeigt, nehmen die optischen Verluste schnell zu mit zunehmendem Versatz bei konventionellen Verbindern. Mit anderen Worten sinkt die Leistungsfähigkeit des konventionellen Verbinders schnell als eine Funktion des Abstands. Weiterhin kann ein einzelner Staub-Partikel zwischen den zwei optischen Stäben nur einen kleinen Teil des ausgebreiteten, dazwischen übertragenen Lichtstrahles blockieren und verringert somit die Verluste infolge von Staub.

Diffraktive Linsen können an Stelle von refraktiven Kugellinsen im Stand der Technik verwendet werden. Diffraktive Linsen haben die Vorteile verringerter Doppelbrechung und/oder Abberations-Wirkungen, da diffraktive Linsen eine annähernd perfekte Linsenfunktion bereitstellen, wenn sie auf den Stäben ausgeformt sind.

Ein Verfahren zum Erstellen optischer Stäbe mit den geformten Endflächen gemäß der Erfindung wird jetzt anhand der Fig. 6-9 erläutert. Als ein Beispiel kann eine Mehrzahl optischer Fasern wie Glasfasern mit einem Durchmesser von jeweils etwa 125 Mikron in einer eng gepackten Matrix angeordnet und mit Epoxidharz verbunden sein, welches UV-gehärtet oder thermisch gehärtet werden kann. Die Matrix aus Fasern kann in eine Mehrzahl von Wafern getrennt (oder geschnitten) werden, wobei jeder Wafer eine Dicke von etwa 1 mm aufweist. Entsprechend beinhaltet jeder Wafer eine parallel ausgerichtete Mehrzahl von Glasstäben, die mit Epoxidharz miteinander verbunden sind, wobei jeder Glasstab einen Durchmesser von etwa 125 Mikron und eine Länge von etwa 1 mm aufweist. Jeder Wafer hat somit zwei gegenüberliegende Flächen und eine Endfläche jedes Glasstabs liegt in jeder Wafer-Fläche frei, so dass eine Endfläche jedes Glasstabs gleichzeitig mit einem dreidimensionale Muster ausgebildet sein kann. Das Epoxidharz kann dann chemisch aufgelöst werden, um dadurch jeden der ausgeformten Glasstäbe zur Montage in faseroptischen Verbindern oder anderen optischen Anwendungen zu separieren

Wie in Fig. 6 gezeigt, können 19 eng gepackte optische Fasern von einer Glas- Buchse umschlossen und mit einem Epoxidharz verbunden sein. Deutlich größere Matrizen aus Fasern mit einer Größenordnung von 1.000 bis 20.000 Fasern können ebenso bereitgestellt werden. Dem entsprechend hat ein von einer Matrix abgetrennter Wafer eine Anzahl optischer Stäbe entsprechend der Anzahl der optischen Fasern in der abgebenden Faser-Matrix. Die in Fig. 6 dargestellte 19- Faser-Matrix wurde als reproduzierbar erkannt, aber Packungsfehler in der Größenordnung von 5 Mikron bis 10 Mikron können auftreten. Die Anmelder vermuten, dass die Packungs-Anordnung eine Funktion der Grenzen ist, innerhalb welcher die Fasern eingefügt werden.

Durch Bereitstellen einer großen Anzahl optischer Stäbe in einem einzelnen Wafer kann die große Anzahl optischer Stäbe gleichzeitig geformt werden unter Verwendung von zwei in der microelektronischen Industrie entwickelten fotolithografischen Techniken. Als ein Beispiel kann eine Matrix aus Tausenden von 125- Mikron-niedrig-OH-Glasfasern unter Verwendung eines UV-gehärteten Epoxidharzes miteinander verbunden werden. Diese Matrix aus Fasern kann dann getrennt (oder geschnitten) werden, um eine Mehrzahl von 1 mm dicken Wafern mit Tausenden optischer Stäbe pro Wafer bereitzustellen. Wenigstens eine Fläche von jedem dieser Wafer wird dann optisch poliert, um eine fotolithografische Formgebung zu unterstützen. Dieser Polier-Schritt wird bevorzugt so ausgeführt, dass die Formierung von Micro-Brüchen in den optischen Stäben verringert wird. Insbesondere kann ein Zweischeiben-Läpp-Polierer verwendet werden. Dem entsprechend liegt jede der Endflächen eines optischen Stabes, welche die polierte Wafer-Fläche bilden, in einer gemeinsamen Ebene, so dass jede der polierten Endflächen gleichzeitig fotolithografisch geformt werden kann.

Insbesondere können eine oder mehr fotolithografische Masken und Ätz-Schritte verwendet werden, um diffraktive Muster mit einer oder mehr Stufen (zwei oder mehr Ebenen) auf den freiliegenden Endflächen von jedem der optischen Stäbe auszubilden. Die Ausbildung diffraktiver Muster wird zum Beispiel in dem US- Patent Nr. 5,218,471 mit dem Titel "High-Efficiency, Multi-Level, Diffractive Optical Elements" für Swanson et al. erläutert. Die Ausbildung eines diffraktiven Mehrfach-Ebenen-Musters wird jetzt kurz anhand der Fig. 7 und 8A-8H erläutert. Insbesondere zeigt Fig. 7 ein typisches Maskierungs-Muster, welches beim Ausbilden eines diffraktiven Musters auf einer Endfläche eines optischen Stabes verwendet wird. Eine Vielzahl von Masken kann verwendet werden, um diffraktive Muster mit bis zu 2n Ebenen zu erzeugen, wobei n die Anzahl von Masken ist.

Die Verwendung von zwei Masken zum Erzeugen eines diffraktiven Vier-Ebenen- Musters ist in den Fig. 8A-8F dargestellt. Eine erste Maske 31 wird verwendet, um eine erste Fotoresist-Schicht 33 auf einer Endfläche 35 eines optischen Stabes auszubilden, wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt. Die ausgebildete Fotoresist-Schicht 33 wird als eine Ätz-Maske während eines Reaktiv-Ionen-Ätzens verwendet, um Stufen in der Fläche 35 des optischen Stabes zu erzeugen und die erste ausgebildete Fotoresist-Schicht wird dann entfernt, wie in Fig. 8C gezeigt. Eine zweite Maske 37 wird dann verwendet, um eine zweite Fotoresist- Schicht 39 auszubilden, wie in den Fig. 8D und 8E gezeigt. Die zweite ausgebildete Fotoresist-Schicht 39 wird dann als eine Ätz-Maske während eines zweiten Reaktiv-Ionen-Ätzens verwendet, um zwei zusätzliche Stufen auf der Fläche 35 zu erzeugen, und die zweite ausgebildete Fotoresist-Schicht wird dann entfernt, wie in Fig. 8 F gezeigt. Demnach können gestufte diffraktive Muster ausgebildet werden mit der Auflösung, welche durch die Anzahl von Masken und der verwendeten Ätz-Schritte bestimmt wird. Die Höhe jeder Stufe kann gesteuert werden durch Steuern der Dauer des entsprechenden Reaktiv-Ionen-Ätzens.

Um gleichzeitig jede der freiliegenden Endflächen, der optischen Stäbe in einem Wafer zu formen, sollte jede Fotomaske ein separates Maskierungsmuster entsprechend jeder der Endflächen der optischen Stäbe aufweisen und diese separaten Maskierungsmuster sollen exakt angeordnet sein, um der Anordnung der Endflächen innerhalb eines Wafers zu entsprechen. Da die Anordnung der optischen Stäbe sich von Wafer zu Wafer als ein Ergebnis von Packungsfehlern unterscheiden kann, können verschiedene Fotomasken-Sätze für verschiedene Wafer benötigt werden. Mit anderen Worten kann ein zugeschnittener Maskierungs- Satz benötigt werden für einen bestimmten Wafer optischer Stäbe. Da von benachbarten Abschnitten einer Fasermatrix geschnittene Wafer eine im Wesentlichen identische Anordnung optischer Stäbe aufweisen können, kann ein zugeschnittener Maskierungs-Satz für bis zu 10 bis 20 von einer einzelnen optischen Fasermatrix abgetrennte Wafer verwendet werden. Dem entsprechend kann ein zugeschnittener Maskierungs-Satz, der zum Formen von 10 bis 20 Wafern mit 10.000 bis 20.000 optischen Stäben pro Wafer verwendet wird, bis zu 150.000 oder mehr geformte optische Stäbe liefern. Die Herstellung zugeschnittener Maskierungs-Sätze kann somit als ökonomisch beurteilt werden.

Ein zugeschnittener Maskierungs-Satz kann erzeugt werden unter Verwendung einer E-Strahl-Schreibtechnik. Insbesondere die Anordnung einzelner Muster in jeder Maske in dem Satz sollte bestimmt sein, um der Anordnung der zu formenden Flächen der optischen Stäbe zu entsprechen. Eine automatisiertes System zum Bestimmen der Positionen von jeder der Endflächen der optischen Stäbe auf einem Wafer aus optischen Stäben ist in Fig. 9a dargestellt. Dieses System beinhaltet einen Computer 41, eine Kamera 43 und eine Bühne 45 zum Untersuchen eines Wafers 47 aus optischen Stäben. Durch Abtasten des Wafers 47 mit der Kamera 43 und Bereitstellen der Information für den Computer 41 können die x-y-Koordinaten 49 der Mittelpunkte von jeder der Endflächen der optischen Stäbe innerhalb von Mikron-Positions-Toleranzen unter Verwendung der optischen Ausstattung zusammen mit einer Mustererkennung und Datenverarbeitungstechniken bestimmt werden. Mit anderen Worten werden Mustererkennungstechniken verwendet, um die Mitte der einzelnen Endflächen der optischen Stäbe zu lokalisieren, wenn die Kamera den Wafer auf einer Micro-Bühne abtastet.

Die x-y-Koordinaten werden dann verwendet, um einen zugeschnittenen Maskierungs-Satz zu erzeugen. Insbesondere kann eine Daten-Datei mit den x-y- Koordinaten, welche die Mittelpunkte der Endflächen der optischen Stäbe angeben, elektronisch zu der Maskierungs-Erzeugungs-Ausstattung übertragen werden, die zum Ausbilden E-Strahl-geschriebener Masken verwendet wird. Die Masken-Erzeugungs-Ausstattung verwendet die x-y-Koordinaten zum Erstellen jeder Maske in dem Satz, wobei jede Maske eine Mehrzahl identischer Maskierungs-Muster beinhaltet, welche um die bezeichneten x-y-Koordinaten zentriert sind, um den Positionen der Endflächen der optischen Stäbe zu entsprechen. Dieser Sehritt ist ebenfalls als Daten-Fraktionierung bekannt. Ein E-Strahl wird dann verwendet, um eine Fotoresist-Schicht in einer Maske freizulegen und die ausgeformte Fotoresist-Schicht wird als eine Ätzmaske verwendet, um die Maske frei zu lassen. Dieses Verfahren wird für jede Maske in dem Satz wiederholt. Ein Beispiel einer so ausgebildeten Maske ist in Fig. 9b dargestellt. Während die Maske in Fig. 9b 37 Maskierungs-Muster beinhaltet, versteht sich, dass diese Grundzüge verwendet werden können, um zugeschnittene Masken mit zehntausenden von Maskierungs-Mustern entsprechend zehntausender Endflächen optischer Stäbe in einem Wafer herzustellen.

Die einzelnen Endflächen der optischen Stäbe in dem Wafer werden dann unter Verwendung des oben erläuterten, zugeschnittenen Maskierungs-Satzes ausgeformt. Insbesondere wird eine Fotoresist-Schicht auf den Wafer geschleudert, um die Endflächen der optischen Stäbe zu bedecken. Diese Fotoresist-Schicht wird dann unter Verwendung der ersten Maske aus dem zugeschnittenen Maskierungs-Satz freigelegt und entwickelt, wobei die einzelnen Maskierungs-Muster von der ersten Maske mit einzelnen Stab-Endflächen ausgerichtet werden. Abschnitte der Stab-Endflächen, welche durch die ausgeformte Fotoresist-Schicht freigeblieben sind, werden unter Verwendung eines zeitgesteuerten Reaktiv- Ionen-Ätzens geätzt, um eine Zwei-Ebenen-Stufen-Struktur bereitzustellen. Zusätzliche Schritte und/oder Ebenen können zu der Struktur hinzugefügt werden durch Hinzufügen zusätzlicher Masken und Ätz-Schritte zum Bereitstellen diffraktiver Linsen mit höheren Auflösungsebenen. Diffraktive Muster können somit vorteilhaft in Schmalband-Kommunikationsnetzwerken verwendet werden.

Wie in Fig. 10a gezeigt, kann ein optischer Stab 51 mit einer Länge I und einem Durchmesser d mit einem an einem Ende davon ausgebildeten dreidimensionalen, diffraktiven (stufigen) Muster 52 ausgebildet sein. Der optische Stab kann eine zylindrische Form aufweisen, eine Länge I von etwa 6 mm oder weniger und einen Durchmesser d von etwa 1 mm oder weniger, welcher unter Verwendung bekannter Techniken schwer herzustellen ist. Insbesondere kann der optische Stab eine GRIN-Linse mit einem Durchmesser von zum Beispiel 250 Mikron oder 500 Mikron oder ein Glasstab mit einem Durchmesser von 125 Mikron sein, welcher Abmessungs-kompatibel mit konventionellen optischen Fasern ist.

Alternativ können refraktive Linsen auf den Stab-Endflächen bereitgestellt werden durch Ausformen der Fotoresist-Schicht derart, dass ein kreisförmiges Fotoresist- Muster die Endflächen jedes Stabes bedeckt und Aufschmelzen des kreisförmigen Fotoresist-Musters, so dass das Fotoresist sich an den Rändern von jeder der Stab-Endflächen verjüngt. Ein Reaktiv-Ionen-Ätzen ätzt dann durch das verjüngte Fotoresist-Muster, so dass die Ränder der Stab-Endflächen mit dem dünneren Fotoresist darauf während einer längeren Zeit geätzt werden als zentrale Abschnitte der Stab-Flächen mit dickerem Fotoresist darauf. Entsprechend können abgerundete Stab-Endflächen auf jedem der Stäbe bereitgestellt werden und stellen dadurch eine refraktive Linse bereit. Die einzelnen kreisförmigen Maskierungs-Muster können in der Maske ausgebildet werden unter Verwendung der oben anhand von Fig. 9 erläuterten Schritte. Refraktive Linsen können vorteilhaft verwendet werden zum Fokussieren eines breiten Bereiches optischer Wellenlängen in Breitband-Netzwerken, welche mit zwei oder mehr gemultiplexten Wellenbändern arbeiten. Wie in Fig. 10b gezeigt, kann der optische Stab 54 ein refraktives (gerundetes) Muster 55 an einem Ende davon aufweisen. Alternativ kann das gerundete Resist die Linse ohne ätzen bereitstellen. Andere Verfahren zum Ausbilden refraktiver Linsen werden erläutert in einer vorläufigen Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/041,042 mit dem Titel "Gray Mask Made of Absorptive Materials and for Fabricating Optical Elements Using a Photoresist Formed From Contact Printing of a Gray Mask" für Feldman et al. und eingereicht am 21. März 1997.

Entsprechend einer weiteren Alternative kann die Wafer-Endfläche mit einer Schicht eines anderen Materials wie einem hoch reflektiven dielektrischen Material oder Metall bedeckt werden, und diese reflektive Schicht kann geformt werden, um eine Multi-Ebenen-Struktur an jeder der Stab-Endflächen bereitzustellen. Zum Beispiel kann eine ausgeformte dielektrische Schicht auf einer Stab- Endfläche verwendet werden, um einen partiellen Reflektor bereitzustellen. Wie Fig. 10c gezeigt, kann ein optischer Stab 57 eine ausgebildete reflektive Schicht 58 an einem Ende davon aufweisen, welche Abschnitte des Endes bedeckt und Abschnitte des Endes freilässt.

Sobald die Stab-Endflächen ausgeformt sind, kann das die optischen Stäbe zusammenhaltende Epoxidharz aufgelöst werden, um eine Mehrzahl einzelner, geformter Glasstäbe bereitzustellen. Eine Endfläche eines optischen Stabes mit einem diffraktiven Muster darauf ist in Fig. 4 gezeigt. Unter Verwendung der vorstehend erläuterten Verfahren können zehntausende optischer Stäbe gleichzeitig geformt werden, so dass einzelne Strukturen sehr kostengünstig hergestellt werden können. Während die optischen Stäbe zur Verwendung in faseroptischen Verbindern erläutert wurden, können diese optischen Stäbe viele andere Anwendungen haben. Alternative Verwendungen für diese optischen Stäbe werden zum Beispiel erläutert in einer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde und betitelt ist "Optical Transmission Systems Including Optical Rods With Three-Dimensional Patterns Thereon And Related Structures".

Wie oben erläutert, können die Faser-Matrizen gebildet sein durch Packen und Verbinden einzelner Fasern in Buchsen. Die Faser-Matrizen können alternativ ausgebildet sein, wie unten anhand der Fig. 11 bis 13 erläutert. Einzelne optische Fasern 61 'können in einer Matrix paralleler optischer Fasern unter Verwendung eines Silikon-Trägers 63 mit V-Nuten 65 in einer Fläche davon angeordnet sein, wie in Fig. 11 gezeigt. Die Verwendung von V-Nuten hat den Vorteil, dass eine vorhersagbare Positionierung und Ausrichtung der Fasern innerhalb enger Toleranzen angegeben werden kann. Die V-Nuten werden ausgebildet unter Verwendung der bevorzugten Ätz-Charakteristika eines < 100> orientierten Silikon- Trägers. Insbesondere ist die Ätz-Anisotropie zwischen den < 100> - und < 111> - Ebenen in der Größenordnung von 400 : 1, so dass, wenn ein Abschnitt des Trägers unter Verwendung einer Lösung wie KOH geätzt wird, eine V-Nut erzeugt wird.

Die Periode P der V-Nuten über der Oberfläche des Trägers kann innerhalb eines Mikron unter Verwendung bekannter fotolithografischer Techniken gesteuert werden. Die Ätztiefe r kann innerhalb +/-1 Mikron gesteuert werden. Insgesamt kann die Muster-Toleranz innerhalb 1 Mikron Positionsgenauigkeit gesteuert werden. Die Glasfasern können dann unter Verwendung eines Epoxidharzes in den V- Nuten angebracht werden, welches UV-gehärtet oder thermisch gehärtet werden kann. Die resultierende Struktur wird dann entlang einer Richtung senkrecht zu den Glasfasern aufgetrennt (oder geschnitten), um in V-Nuten verbundene Glasfasern bereitzustellen. Die freiliegenden Endflächen der Glasstäbe können dann geformt und aus dem Silikon entnommen werden, wie oben erläutert. Da die Positionierung der Glasfasern (und somit der Glasstäbe) derart genau gesteuert werden kann, wird der Bedarf nach zugeschnittenen Masken verringert. Mit anderen Worten können Matrizen aus den Glasstäben ohne den Bedarf zum Bereitstellen zugeschnittener Maskierungs-Sätze ausgebildet werden und Verringern somit die Werkzeugkosten.

Die Schritte bei der Formierung der V-Nuten sind in den Fig. 12a und 12b dargestellt. Wie in Fig. 12a gezeigt, wird eine Silikon-Nitrid-Maskierungsschicht 71 auf einem < 100> -orientierten Silikon-Träger 63 ausgebildet. Die freiliegenden Abschnitte des Silikon-Trägers werden dann geätzt, um die V-Nuten herzustellen und die Silikon-Nitrid-Maskierungsschicht wird dann entfernt, wie in Fig. 12b gezeigt. Insbesondere kann der Träger unter Verwendung einer 45% KOH- Lösung bei 65ºC geätzt werden.

Weiterhin können Träger 63' mit in V-Nuten 65' verbundenen optischen Fasern 61' gestapelt und mit einem Epoxidharz verbunden werden, wie einem thermisch aushärtenden Epoxidharz oder einem UV-aushärtenden Epoxidharz, wie in Fig. 13 gezeigt. Insbesondere können V-Nuten in gegenüberliegende Flächen der Träger geätzt werden, so dass V-Nuten in benachbarten Trägern Kanäle bilden, durch welche sich die optischen Fasern erstrecken. Die gestapelte Struktur kann dann entlang einer Richtung senkrecht zu den Fasern abgetrennt (oder geschnitten) werden, um eine Mehrzahl von Wafern bereitzustellen, wobei jeder Wafer eine Matrix optischer Stäbe mit freiliegenden Endflächen davon beinhaltet. Diese Endflächen können gleichzeitig poliert und geformt werden, wie oben erläutert, und das Verbindungs-Mittel chemisch aufgelöst zum Trennen der einzelnen, geformten optischen Stäbe. Da die optischen Stäbe mit engen Positionstoleranzen angeordnet werden können, kann der Bedarf nach zugeschnittenen Masken verringert werden.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Stäbe können aus Glasfasern mit einem einheitlichen Brechungsindex entlang eines Querschnittes davon gebildet sein. Dem entsprechend weist der resultierende Stab einen einheitlichen Brechungsindex auf. Alternativ kann ein Stab mit einem Brechungsindex-Gradienten entlang eines Querschnittes davon ausgebildet sein, um eine Gradientenindex- Linse (GRIN) bereitzustellen. Durch Bereitstellen eines diffraktiven Musters an dem Ende der GRIN-Linse können aus Temperaturänderungen resultierende Verschiebungen in der Brennweite der GRIN-Linse verringert werden. Mit anderen Worten wird eine Athermalisierung der GRIN-Linse angegeben. Wie vorher kann eine Mehrzahl optischer GRIN-Stäbe in einem Wafer verbunden, gleichzeitig geformt und dann getrennt werden.

Wie oben erläutert, können optische Fasern mit Breiten (oder Durchmessern) von etwa 125 Mikron in einer Matrix verbunden und zu Wafern geschnitten werden. Die Enden der Stäbe in einem Wafer können gleichzeitig geformt und die Stäbe separiert werden, um eine Mehrzahl geformter optischer Stäbe bereitzustellen. Die Verwendung optischer 125 Mikron-Fasern hat den Vorteil, dass die resultierenden Stäbe Dimensions-kompatibel mit optischen Single-Mode-Fasern sind, wie anhand der Fig. 3a und 3b erläutert. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können jedoch verwendet werden, um die Enden von Stäben mit deutlich größeren Abmessungen zu formen, die anderenfalls schwierig oder ineffizient unter Verwendung bekannter Techniken zu formen sind.

Beispielsweise können Wafer aus Stäben durch die Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgebildet und geformt werden, wobei jeder Stab eine Breite (oder einen Durchmesser) von etwa 1 mm und eine Länge von etwa 6 mm aufweist. Solch einen Stab ist mit dem Stand der Technik schwer effizient zu formen. Zusätzlich können die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Wafer von GRIN-Linsen auszubilden, wobei jede GRIN-Linse eine Breite (oder einen Durchmesser) von zum Beispiel 250 Mikron oder 500 Mikron aufweist. Weiterhin wurden die Fasern und Stäbe als zylindrisch mit einem kreisförmigen Querschnitt erläutert. Alternativ können die Fasern und die Stäbe andere Querschnitte wie rechteckig, hexagonal oder elliptisch aufweisen.

Zusätzlich können die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um beide Enden eines optischen Stabes zu formen. Ein Wafer aus optischen Stäben kann z. B. an einer ersten Seite geformt und dann an einer zweiten Seite geformt werden, so dass beide Enden von jedem der Stäbe in dem Wafer geformt sind. Doppelt geformte optische Stäbe können zum Beispiel in den optischen Faser-Verbindern der Fig. 3a und 3b verwendet werden, so dass jedes Ende jedes optischen Stabes der entsprechenden optischen Faser benachbart ausgerichtet sein kann. Wegen der relativen Abmessungen des Faser-Kerns und des geformten Endes des der Faser benachbarten Stabes kann das zweite der Faser benachbarte Muster eine insignifikante Wirkung auf Strahlung haben, welche von der ersten Faser in den ersten Stab eintritt, oder auf Strahlung, welche den zweiten Stab in die zweite Faser hinein verlässt. Dem entsprechend kann die Notwendigkeit der Montage der Stäbe in einer Richtung oder der anderen verringert werden. Alternativ können doppelt geformte Stäbe verwendet werden, um eine optische Verarbeitung an jedem Ende davon bereitzustellen.

In den Zeichnungen und der Beschreibung wurden typische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart, und obwohl besondere Begriffe verwendet wurden, werden sie lediglich in einer in einer generischen und beschreibenden Weise und nicht zum Zwecke der Beschränkung verwendet, die Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen dargelegt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Formen einer Mehrzahl optischer Stäbe, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Anordnen einer Mehrzahl optischer Stäbe in einer Matrix;

Schneiden der Mehrzahl optischer Stäbe zum Bilden mehrerer Wafer, wobei jeder der optischen Stäbe in jedem Wafer derart ausgerichtet ist, dass eine freiliegende Endfläche von jedem der optischen Stäbe in einer gemeinsamen Richtung ausgerichtet ist;

Formen der freiliegenden Endflächen der optischen Stäbe in einem Wafer derart, dass auf jeder der freiliegenden Endflächen ein dreidimensionales Muster ausgebildet ist, wobei das Formen die Ausführung fotolithografischer Prozesse auf den freiliegenden Endflächen beinhaltet; und

Trennen der Mehrzahl der optischen Stäbe in einem Wafer voneinander.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die optischen Stäbe einen Glas-Stab umfassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jedes der dreidimensionalen Muster ein diffraktives optisches Muster umfasst, so dass jede der Endflächen ein stufiges Profil aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jedes der dreidimensionalen Muster ein refraktives optisches Muster umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jedes der dreidimensionalen Muster eine gefirmte Schicht umfasst, so dass ein Abschnitt von jeder der Endflächen durch die entsprechende, geformte Schicht bedeckt ist, und so, dass ein Abschnitt jeder der Endflächen freiliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die geformte Schicht ein Material umfasst, welches aus der Gruppe aus einem Metall und einem Dielektrikum gewählt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Anordnungs-Schritt das Verbinden einer Mehrzahl optischer Stäbe zu einer geschlossenen gepackten Matrix mit einem Epoxidharz umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Anordnungs-Schritt die Schritte umfasst:

Ausformen einer Mehrzahl paralleler Nuten auf einer Oberfläche eines ersten Substrats;

Anordnen der Mehrzahl der optischen Stäbe in den parallelen Nuten; und

Verbinden eines zweiten Substrats mit der Oberfläche des ersten Substrats, so dass die Mehrzahl optischer Stäbe sich in den parallelen Nuten zwischen dem ersten und zweiten Substrat befindet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Nuten V-Nuten umfassen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Anordnungs-Schritt das Verbinden der Mehrzahl optischer Stäbe zu einer Matrix innerhalb eines äußeren Zylinders umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem dem Formgebungs-Schritt der Schritt vorausgeht:

Polieren der Mehrzahl der freiliegenden Endflächen der optischen Stäbe in der Matrix.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Anordnungs-Schritt das Verbinden einer Mehrzahl optischer Fasern zu einer Matrix umfasst; und wobei der Schneide-Schritt das Schneiden der Matrix optischer Fasern entlang einer Richtung senkrecht zu der Achse von jeder der optischen Fasern umfasst, um dadurch die Endflächen von jedem der optischen Stäbe freizulegen.

13. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt:

optisches koppeln einer Strahlungs-Quelle mit einem der optischen Stäbe. 14. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Formgebungs-Schritt die Schritte umfasst:

Erzeugen einer fotolithografischen Maske mit einer Mehrzahl von Mustern entsprechend jeder der freiliegenden Endflächen;

Bilden einer Fotoresist-Schicht auf der Mehrzahl der freiliegenden Endflächen;

Übertragen der Mehrzahl von Mustern von der fotolithografischen Maske auf die Fotoresist-Schicht, um dadurch eine Ätz-Maske auf der Mehrzahl freiliegender Endflächen auszubilden; und

Ätzen von Abschnitten der durch die Ätz-Maske freiliegenden Endflächen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Erzeugungs-Schritt die Schritte umfasst:

Bestimmen von Positionen für jede der freiliegenden Endflächen; und

Gestalten der Mehrzahl von Mustern auf der fotolithografischen Maske unter Verwendung der Positionen.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die optischen Stäbe einen einheitlichen Brechungsindex entlang eines Querschnittes davon aufweisen.

17. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jeder der optischen Stäbe einen Brechungs-Gradienten-Index entlang eines Querschnittes davon aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jeder der optischen Stäbe eine Breite von etwa 1 mm oder weniger und eine Länge von etwa 6 mm oder weniger aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jeder der optischen Stäbe einen Durchmesser von etwa 500 Mikron oder weniger aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Schneiden das Schneiden der Matrix optischer Stäbe entlang einer Richtung senkrecht zu der Achse von jedem der optischen Stäbe umfasst, um dadurch die Mehrzahl von Wafern bereitzustellen, und wobei jeder der optischen Stäbe eine Länge von etwa 6 mm oder weniger aufweist, so dass jeder der Wafer eine Dicke von etwa 6 mm oder weniger aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem jeder der optischen Stäbe eine Breite von etwa 1 mm oder weniger aufweist.

22. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem jeder der optischen Stäbe eine Breite von etwa 500 Mikron oder weniger aufweist.

23. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Schneiden das Schneiden der Mehrzahl der optischen Stäbe derart umfasst, dass jeder der optischen Stäbe in jedem Wafer eine Länge von etwa 6 mm oder weniger aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem jeder der optischen Stäbe eine Breite von etwa 500 Mikron oder weniger aufweist.







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