Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich optischer Bauelemente und Vorrichtungen und spezieller, optischer Bauelemente mit gradierter Dicke.

Herkömmliche optische Bauelemente und Vorrichtungen haben weit verbreitet Verwendung in der modernen Technik zur Erzeugung, zum Empfangen und/oder zum Steuern von Licht gefunden, beispielsweise in Kommunikationssystemen, Laserdruckern, Kompaktdiscabspielgeräten usw.. Für viele derartige Anwendungen wird eine Lichtquelle wie beispielsweise ein Halbleiterlaser oder ein LED mit einer Halbleiterempfangsvorrichtung gekoppelt (beispielsweise Photodiode) über eine faseroptische Verbindung einen freien Raum oder von einer reflektierenden Oberfläche weg.

In einigen Fällen werden Mikrospiegel verwendet, um Licht je nach Wunsch zu richten, wie beispielsweise beim Wellenlängen-Multiplex-Verfahren, optischen Filtern, wie auch bei anderen Anwendungen. Mikrospiegel werden auch üblicherweise beispielsweise dazu verwendet, um optische Kavitäten zu erzeugen, wie beispielsweise Fabry-Perot-Kavitäten für Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL), Resonant Cavity Photodetectors (RCPD) und andere Vorrichtungen. Eine Einschränkung vieler herkömmlicher Mikrospiegel besteht darin, daß der über den Mikrospiegel vorgesehene Reflexionsgrad über dem optischen Weg oder der Kavität gleichförmig ist. Bei Anwendung im Rahmen von VCSEL- und RCPD-Vorrichtungen kann beispielsweise ein derartiger gleichförmiger, seitlicher Reflexionsgrad einen Mehrmodenbetrieb bevorzugen. Für viele Anwendungen jedoch ist ein einzelner Betriebsmodus niedrigster Ordnung wünschenswert. Ein einzelner Modus niedrigster Ordnung kann dabei helfen, das Licht in Einzelmodusphasen einzukoppeln und kann auch wünschenswert sein bei freiraum- und/oder wellenlängenempfindlichen Systemen.

Mikrolinsen haben ebenfalls in vielen heutigen Systemen breite Verwendung gefunden. Mikrolinsen werden oftmals verwendet zum Fokusieren, Richten und/oder Steuern von Licht in einem breiten Bereich optischer Anwendungen. Beispielsweise können Mikrolinsen dabei verwendet werden, Lichtleiter bzw. Glasfasern auszurichten, wie beispielsweise Einzelmoduslichtleiter mit anderen elektrooptischen Bauelementen wie beispielsweise LED's, VCSELs, RCPDs, etc.. Mikrolinsen können auch mit beträchtichem Vorteil in Druckern, Compactdiscabspielgeräten und anderen Anwendungen genutzt werden.

Die WO 99/52647 A beschreibt eine Mikrolinse, die ausgebildet wird durch schattenmaskierende Dampfabscheidung.

Die vorliegende Erfindung sieht ein optisches System vor, umfassend: eine optische Vorrichtung und ein optisches Bauelement, das an der optischen Vorrichtung angrenzend positioniert ist, wobei das optische Bauelement mehrere Schichten hat, wobei jede Schicht einen Zentralbereich, einen Randbereich und einen Brechungsindex, wobei der Zentralbereich jeder Schicht dicker ist als der Randbereich und ausgewählte Schichten unterschiedliche Brechungsindize haben, dadurch gekennzeichnet, daß sich die optische Vorrichtung innerhalb eines Substrats befindet und daß das optische Bauelement derart positioniert ist, daß die optische Vorrichtung zwischen dem optischen Bauelement und dem Substrat zwischenliegend angeordnet ist, daß eine Zwischenschicht auf dem Substrat angeordnet ist, wobei das optische Bauelement innerhalb einer Öffnung positioniert ist, die durch die Zwischenschicht definiert ist und daß die Zwischenschicht ein Polymer umfaßt.

Für Anwendungen bei Mikrolinsen kann der Brechungsindex ausgewählter Schichten im wesentlichen der gleiche sein. Für Anwendungen bei Mikrospiegeln, kann der Brechungsindex ausgewählter Schichten bei angrenzenden Schichten unterschiedlich sein.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren vor zur Herstellung eines optischen Bauelementes mit gradierter Dicke, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Vorsehen einer ersten Schicht mit einer Öffnung, die über einem Substrat beabstandet ist; Vorsehen einer Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht und dem Substrat, wobei die Zwischenschicht eine Öffnung hat, die seitlich unterhalb der Öffnung in der ersten Schicht in wenigstens einem Bereich verläuft; und Vorsehen eines oder mehrerer Materialien auf dem Substrat durch die Öffnung in der ersten Schicht, um ein optisches Bauelement mit gradierter Dicke auszubilden, das seitlich unterhalb der Öffnung der ersten Schicht in wenigstens einem Bereich verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht ein Polymer umfaßt.

1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines darstellenden optischen Bauelements mit gradierter Dicke in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;

2A–2H sind schematische Ansichten, die ein darstellendes Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements mit gradierter Dicke in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigen;

3 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines darstellenden optischen Bauelements mit gradierter Dicke, das in Verbindung mit einer elektrooptischen Vorrichtung verwendet wird; und

4 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines darstellenden optischen Bauelements mit gradierter Dicke in einem fortgeschrittenen Herstellungszustand in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Die folgende Beschreibung sollte unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gelesen werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den mehreren Zeichnungen bezeichnen. Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen dienen lediglich der Darstellung der vorliegenden Erfindung und sind nicht dazu vorgesehen, einschränkend zu sein.

1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines darstellenden optischen Bauelements 110 mit gradierter Dicke in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das optische Bauelement 110 weist einen Stapel aus optischen Schichten auf, der allgemein mit 112 gezeigt ist. Der Stapel 112 aus optischen Schichten weist individuelle Schichten 114a–g auf. Die Schichten 114a–g haben jeweils einen Randbereich, der allgemein mit 116 gezeigt ist und einen Zentralbereich, der allgemein mit 118 gezeigt ist. Vorzugsweise sind wenigstens einige der individuellen Schichten 114a–g dicker im Zentralbereich 118 als im Randbereich 116 und haben eine allgemein gekrümmte obere Oberfläche, wie dies gezeigt ist. Der Stapel 112 aus optischen Schichten kann je nach Wunsch im allgemeinen kreisförmig sein, jedoch ist dies nicht erforderlich.

Vorzugsweise ist jede individuelle Schicht 114 aus einem optischen Material wie beispielsweise einem dielektrischen oder Halbleitermaterial hergestellt und hat einen Brechungsindex und es ist zumindest teilweise in dem gewünschten Wellenlängenbereich durchlässig. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Schichten 114a–114g abwechselnd (unterschiedliche) Brechungsindize. Beispielsweise können die Schichten 114a, 114c, 114e und 114g einen ersten Brechungsindex und die Schichten 114b, 114d und 114f einen zweiten Brechungsindex haben. Eine derartige Ausgestaltung kann insbesondere zur Ausbildung eines Mikrospiegels geeignet sein, wie dies oben beschrieben wird. Es ist jedoch beabsichtigt, daß eine Mikrolinse leicht ausgebildet werden kann durch Vorsehen von Schichten 14a–14g mit den gleichen oder ähnlichen Brechungsindize. Beim Ausbilden einer Mikrolinse werden vorzugsweise eine oder lediglich ein Paar wenige Schichten 114 vorgesehen, um jegliche Reflexionen an der Schnittstelle der Schichten 114 zu reduzieren.

2A–2H sind schematische Ansichten und zeigen ein darstellendes Verfahren zur Ausbildung eines optischen Bauelementes mit gradierter Dicke, wie beispielsweise das optische Bauelement 110 der 1. Zuerst bezugnehmend auf 2A, ist ein Substrat 226 gezeigt mit einer darin ausgebildeten optischen Vorrichtung 228 wie beispielsweise einer VCSEL, RCPD, LED oder einer anderen optischen Vorrichtung. Die optische Vorrichtung 280 ist optional und das Erfordernis, die optische Vorrichtung 228 vorzusehen, wird von der jeweiligen Anwendung abhängen.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel und nun bezugnehmend auf 2B, ist eine Abstandsschicht 230, die ein Polymer umfaßt, als Abstandshalter vorgesehen. Die Abstandsschicht 230 kann aus jeglichem geeigneten Material, ein Polymer umfassend, hergestellt sein, das gegenüber einem isotropen Ätzprozeß empfänglich ist. Es ist beabsichtigt, daß die Abstandsschicht 230 aus mehreren unterschiedlichen Schichten hergestellt werden kann, falls erwünscht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 230 ein Polymer wie beispielsweise Polyimid, das durch Schleuderbeschichten auf dem Substrat 226 abgeschieden wird. Ist einmal die Schicht 230 angeordnet, kann eine Maskierungsschicht 232 vorgesehen werden. Wie vollständiger unten beschrieben wird, kann die Maskierungsschicht 232 als Maske verwendet werden, wenn die eine oder die mehreren Schichten 114a–g des optischen Bauelements 110 mit gradierter Dicke abgeschieden werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Maskierungsschicht 232 Siliciumdioxid, das durch plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) abgeschieden wird. Es ist jedoch vorgesehen, daß die Maskierungsschicht 232 aus jeglichem Material hergestellt sein kann, das gegenüber dem Ätzprozeß widerstandsfähig ist, der zum Ätzen der Abstandsschicht 230 verwendet wird, was weiter unten beschrieben wird. Es ist auch beabsichtigt, daß die Maskierungsschicht 232 durch jegliches Dünnschichtauftragverfahren vorgesehen werden kann, wie beispielsweise Elektronenstrahl-, thermische- und/oder Sputterbeschichtung.

Als Nächstes wird vorzugsweise eine Photolackschicht 234 über der Maskierungsschicht 232, vorzugsweise unter Anwendung einer Schleuderbeschichtung, vorgesehen. Die Photolackschicht 234 wird dann strukturiert unter Verwendung herkömmlicher Strukturiertechniken, wie beispielsweise der Photolithographie, um eine Öffnung 236 darin auszubilden, wie dies in 2C gezeigt ist. Ist einmal die Öffnung 236 in der Photolackschicht 234 ausgebildet, so wird die Maskierungsschicht 232 vorzugsweise durch Ausnutzen eines selektiven Ätzens geätzt, um darin eine Öffnung 238 zu erzeugen, wie dies in 2D gezeigt ist. Die Öffnung 238 hat vorzugsweise eine im wesentlichen vertikale seitliche Kante 250, wie dies gezeigt ist.

Ist einmal die Öffnung 238 in der Maskierungsschicht 232 ausgebildet, so wird die zwischenliegende Abstandsschicht 230 durch die Öffnung 238, vorzugsweise durch Anwendung eines selektiven reaktiven Ionenätzens (RIE), geätzt, um eine Öffnung 240 zu erzeugen, die einen seitlichen Rand 242 hat, wie dies in 2E gezeigt ist. Die Öffnung 240 wird vorzugsweise geätzt unter Ausnutzung eines isotropen, selektiven Ätzens, so daß der seitliche Rand 242 der Öffnung 240 seitlich unterhalb des seitlichen Rands 250 in der Maskierungsschicht 232 wenigstens in einer Richtung, jedoch vorzugsweise in alle Richtungen, verläuft.

Es kann dann ein optisches Bauelement 110 (siehe 1) mit gradierter Dicke durch die Öffnung 238 in der Maskierungsschicht 232 abgeschieden werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schichten 114a–114g aufeinanderfolgend durch die Öffnung 238 abgeschieden. Beispielsweise kann ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex durch die Öffnung 238 abgeschieden werden, um eine erste Schicht 114g eines Stapels 112 aus optischen Schichten zu erzeugen, wie dies in 2F gezeigt ist. Das Abscheiden erfolgt vorzugsweise über ein Vakuumdampfverfahren zur Erzeugung optischer Qualität oder andere geeignete Verfahren, je nach Wunsch. Da die Maskierungsschicht 232 und die Öffnung 238 von der Oberfläche des Substrats 226 beabstandet sind, neigt mehr Material dazu, im Zentralbereich 118 abgeschieden zu werden als im Randbereich 116, was dazu führt, daß der Zentralbereich 118 dicker ist als der Randbereich 116. Ebenso neigt die oberste Oberfläche jeder abgeschiedenen Schicht dazu, gekrümmt zu sein, wie dies gezeigt ist.

Ist einmal eine erste Schicht 114g angeordnet, so wird eine zweite Schicht 114f durch die Öffnung 238 abgeschieden. Diese zweite Schicht 114f kann aus demselben brechenden Material wie die erste Schicht 114g hergestellt sein oder aus einem unterschiedlich brechenden Material, das einen unterschiedlichen Brechungsindex hat. Wie die erste Schicht 114g, ist die zweite Schicht 114f vorzugsweise ein Glas, Polymer, Halbleiter und/oder Dielektrikum mit optischer Qualität wie beispielsweise GaAs, AlGaAs, SiO₂, Si₃N₄, TiO₂ oder ein anderes geeignetes Material. Zusätzliche Schichten 114e bis 114a können je nach Wunsch ebenfalls abgeschieden werden, um einen Stapel aus optischen Schichten auszubilden, wie dies in 2G gezeigt ist.

Die Form bzw. Gestalt des optischen Bauelements 110 kann über mehrere Parameter gesteuert werden. Einige dieser Parameter beinhalten die Form bzw. Gestalt und Größe der Öffnung 240 in der Abstandsschicht 230, die Dicke der Abstandsschicht 230, die Form, Größe und Position der Öffnung 240 in der Abstandsschicht 230 relativ zur Öffnung 238 in der Maskierungsschicht 232 und die Dicke des seitlichen Rands 250 der Öffnung 238. Andere Parameter weisen das Abscheideverfahren für das brechende Material, das verwendete Material und die Menge an abgeschiedenem Material auf. Diese Parameter können eingestellt werden, um die Form und Eigenschaften des optischen Bauelements 110 in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung zu ändern. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Schichten 230, 232 und 234 entfernt werden, wie dies in 2H gezeigt ist, um das optische Bauelement 110 freizulegen.

Beim Ausbilden von Mikrospiegeln, können die Schichten 114a–114g relativ dünn sein und die Brechungsindize können sich zwischen angrenzenden Schichten ändern. Beim Ausbilden einer Mikrolinse, können eine oder mehrere dickere Schichten vorgesehen werden, wobei jede Schicht den gleichen oder ähnlichen Brechungsindex hat.

Falls das Substrat 226, wie gezeigt, ein oder mehrere optische Bauelemente aufweist, wie beispielsweise das optische Bauelement 228, kann wenigstens ein Abschnitt der Schicht 114g in Kontakt mit dem optischen Bauelement 228 sein. Alternativ kann eine Abstands- oder Pufferschicht (nicht gezeigt) zwischen dem optischen Bauelement 228 und der Schicht 114g vorgesehen sein. Zudem ist vorgesehen, daß die Schicht 114g auf dem optischen Bauelement 228 zentriert ist, wie dies in 2F gezeigt ist, oder seitlich zu dem optischen Bauelement 228 versetzt sein, in Abhängigkeit von der Anwendung.

Es ist vorgesehen, daß das optische Bauelement 110 Teil der optischen Vorrichtung 228 sein oder dessen Betrieb unterstützen kann. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung 228 ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) sein und das optische Bauelement 110 kann insgesamt oder als Teil des oberen Spiegels des VCSEL betrieben werden. Bekanntermaßen haben VCSEL-Vorrichtungen typischerweise eine Laserkavität, die durch zwei reflektierende Spiegel definiert ist, wie beispielsweise verteilte Bragg-Reflektoren einschließend Halbleiter- oder dielektrische Spiegelstapel. Das optische Bauelement 110 mit gradierter Dicke nach der vorliegenden Erfindung kann dabei helfen, einen obersten Spiegel mit einem Reflexionsgrad zu erzeugen, der sich seitlich über der optischen Kavität des VCSEL ändert. Um die Anzahl an Moden des VCSEL zu reduzieren, verringert sich der Reflexionsgrad des obersten Spiegels vorzugsweise in Richtung der seitlichen Ränder der optischen Kavität. Bei richtiger Konfigurierung, kann daher die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, beim Vorsehen eines Steuermodus bzw. einer Modensteuerung der VCSEL-Vorrichtungen zu helfen. Eine derartige Modensteuerung kann je nach Wunsch in ähnlicher Weise für die RCPDs angewandt werden.

Alternativ und wie in 3 gezeigt, kann das optische Bauelement 300 als Mikrolinse betrieben werden. Vorzugsweise weist das optische Bauelement 300 eine einzelne oder eine relativ kleine Anzahl dickerer Schichten auf, von denen jede eine gradierte Dicke hat. Wenn das optische Bauelement 328 eine lichtemittierende oder lichtempfangende Vorrichtung ist, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED), ein VCSEL, eine Photodiode, RCPD oder eine andere lichtemittierende- oder empfangende Vorrichtung, kann das optische Bauelement 300 beispielsweise den Winkel der Sichtbarkeit des Lichts erhöhen, das Licht fokussieren, das Licht in eine spezielle Richtung richten, etc. Die optische Vorrichtung 328 ist optional und muß nicht in dem Substrat vorgesehen sein, wie dies gezeigt ist.

Das optische Bauelement kann einen plankonkaven Bereich haben, wie dies in 4 gezeigt ist. Die Schritte zum Erzeugen eines optischen Bauelements 410 mit einer gekrümmten oberen Oberfläche mit einem konkaven Bereich 452 sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen, die verwendet werden zur Erzeugung eines optischen Bauelements 110, wie dies oben beschrieben wurde. Die in die Schicht 234 photogeätzte Öffnung 236 ist derart geformt, daß ein Abschnitt der Schicht 234 an drei Seiten umgeben ist von einer Öffnung 236. Wenn daher der isotrope Ätzprozeß verwendet wird, um die Öffnung 240 in die Schicht 230 zu ätzen, steht ein Teil der Schichten 234 und 232 über die Öffnung 240 vor, der mit den anderen Teilen der Schichten 234 und 232 über einen Hals verbunden ist. Es können auch mehrere Öffnung 236 vorhanden sein, die derart nahe zueinander angeordnet sind, daß eine Öffnung 240 während des isotropen Ätzprozesses ausgebildet wird. Wird Material durch die Öffnung 236 abgeschieden, so wird weniger Material dazu neigen, sich in Bereichen abzuscheiden, die unter den Schichten 234 und 232 liegen als in Bereichen, die unter der Öffnung 236 liegen. Dadurch wird ein konkaver Bereich 452 ausgebildet, der von konvexen Bereichen 454 des Elements 410 umgeben ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Schichten 230, 232 und 234 entfernt, um das optische Bauelement freizulegen.

Falls das Substrat 226 eine optische Vorrichtung 228 aufweist, kann das optische Bauelement 410 beim Betrieb der optischen Vorrichtung unterstützend wirken. Der konkave Bereich 452 kann dazu verwendet werden, um Licht von einem LED oder VCSEL zu bündeln oder auszurichten. Der konkave Bereich 452 kann auch als Teil eines instabilen Resonanzraums Verwendung finden, der vorzugsweise eine hochenergetische Einzelmodusemission bevorzugt.

Während die Erfindung verschiedensten Modifikationen und alternativen Formen unterworfen ist, wurden deren spezielle Beispiele in den Zeichnungen gezeigt und hier detailliert beschrieben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß die Erfindung nicht auf die speziell hier offenbarten Formen oder Verfahren eingeschränkt ist, sondern im Gegenteil, die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken soll, die in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen.