DE69314986T2

DE69314986T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden einer optischen Faser mit einem Streifenwellenleiter

Info

Publication number: DE69314986T2
Application number: DE69314986T
Authority: DE
Inventors: Corrado Dragone; Herman Melvin Presby
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2013-03-19
Also published as: JP2555256B2; EP0564128B1; EP0564128A1; DE69314986D1; JPH0694937A; US5235658A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Verbindungsvorrichtung und insbesondere das Ankoppeln einer Lichtleitfaser an ein Ende eines Streifen-Wellenleiters einer dotierten Silikafolie, die auf einem Silizium- oder Silikasubstrat ausgebildet ist.

Stand der Technik

Ein Verfahren zur Herstellung integrierter optischer Bauteile ist das Ablagern von dotierten Silika-Wellenleitern, die auf dotierter Silikafolie ausgebildet sind, die auf einem Siliziumsubstrat abgelagert wurde. Diese Technologie wird als "Silika auf Silizium" bezeichnet und hat das Potential, optische Vorrichtungen herzustellen, die kleinere Abmessungen aufweisen, komplexer sind und potentiell weniger kosten als aus Faser und mikrooptischen Bauteilen hergestellte diskrete optische Vorrichtungen.
Eine Vielfalt von passiven optischen Bauteilen wurde unter Verwendung von Silika-auf-Silizium- Technologie hergestellt, wobei optische Wellenleiter unter Verwendung eines Phosphorsilikatglaskerns (P- dotierter Silikakern) ausgebildet werden. Bei einem Herstellungsverfahren werden die Wellenleiter auf einer Basisschicht abgelagert, die "Hipox" genannt wird und durch die Oxidation von Silizium unter Hochdruckdampf ausgebildet wird. Der Kern wird dann mit einer dünnen Manteischicht aus SiO&sub2; überdeckt. Zu Vorrichtungen, die mit dieser Technologie aufgebaut werden, gehören zusammengesetzte Bragg-Reflektoren, Multiplexer, adiabatische Polarisationsteiler, Reihen-Sternkoppler und dergleichen. Bei einem anderen Herstellungsverfahren wird dotierte Siliziumfolie auf einem Silikasubstrat ausgebildet.
Zur Zeit werden Wellenleiter mit Phosphorsilikatglaskern integrierter optischer Vorrichtungen, die unter Verwendung von Silika-auf- Silizium-Technologie hergestellt werden, normalerweise mittels eines Klebematerials wie zum Beispiel Epoxidharz, UV-Klebstoff und/oder in manchen Fällen einem Vergießungsmaterial aneinanderstoßend an Eingangs- und Ausgangslichtleitfasern angekoppelt. Die Substanz, die verwendet wird, um die Wellenleiter der optischen Vorrichtung an die Lichtleitfaser anzufügen, dient außerdem dazu, den notwendigen Schritt des Füllens einer Lücke durchzuführen, die an der aneinanderstoßenden Kopplungsstelle bestehen kann.
Bei einem gängigen Verfahren der Anbringung einer Lichtleitfaser an einer Silika-auf- Silizium- Scheibe wird zuerst das Ende der Faser mit einem Tropfen eines geeigneten Klebstoffes benetzt, und dann die Faser in Kontakt mit der Scheibe gebracht. Nach dem Trocknen und Verfestigen hält der Klebstoff dann die Faser an der Scheibe. Das Ergebnis ist jedoch aus zwei Gründen nicht befriedigend. Erstens ist die aneinanderstoßende Verbindung für die meisten Zwecke zu schwach. Zweitens fließt der Klebstoff normalerweise auf das Ende eines benachbarten Wellenleiters und verursacht dadurch weitere Probleme, wenn versucht wird, diesen Wellenleiter an einer Lichtleitfaser anzubringen.
In der Veröffentlichung mit dem Titel "Fiber Attachment for Guided Wave Devices" (Faseranbringung für Wellenleitungsvorrichtungen) von E.J. Murphy, Journal of Lightwave Technology, Band 6, Nr. 6, Juni 1988 wird eine Übersicht des Stands der Technik der Faseranbringung an Wellenleitungsvorrichtungen gegeben.
Es werden derzeitige Verfahren zur Erzielung niedriger Faser-Wellenleiter-Faser-Einführungsverluste besprochen und Methoden zur Ausrichtung und permanenten Anbringung von Fasern beschrieben.
In dieser Veröffentlichung stellt der Autor fest, daß ein angemessenes Klebematerial und ein angemessenes Verfahren der Anwendung kritisch ist, da es sowohl die Stabilität als auch die Zuverlässigkeit der Faser-Wellenleiter-Verbindungsstelle bestimmt. Der Autor bemerkt weiterhin, daß UV-aushärtbare Klebstoffe weit verbreitet sind, weil sie schnell und ohne Beeinträchtigung der Faserausrichtung ausgehärtet werden können. UV-Klebstoffe besitzen jedoch eine fragwürdige Stabilität, wenn sie Umweltextremen zum Beispiel bei der Temperatur, dem Druck oder der Feuchtigkeit ausgesetzt werden, und die Verbindungsstellen können deshalb unzureichend stabil sein. Genauso wichtig ist, daß sogar eine geringfügige Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Epoxidharzes die Übertragung von optischen Signalen durch dieses hindurch ernsthaft gefährden kann.
Die Veröffentlichung schließt mit der Feststellung, daß es eine wichtige Herausforderung für das nächste Jahrzehnt sein wird, eine zuverlässige und robuste Faseranbringungs- und Verkapselungstechnologie zu entwickeln. Vier Jahre nach der Veröffentlichung bestehen die Probleme des Anfügens einer Lichtleitfaser an eine Siliziumscheibe immer noch.
WO91/13378 und EP 196948 offenbaren das Verbinden von Lichtleitfasern mit den Enden von Wellenleitern in einem Substrat, wobei die Enden der Wellenleiter sich in Teilen befinden, die von dem Substrat vorstehen.
Die vorliegende Erfindung wendet sich an die Lösung des Problems der Bereitstellung einer zuverlässigen und robusten aneinanderstoßenden Faser- Wellenleiter-Kopplungsanordnung.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wendet sich an ein Verfahren zum Anfügen einer Lichtleitfaser an einen Wellenleiter nach Anspruch 1.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine schematische Darstellung eines integrierten Mehrkanal-Sternkopplers, der unter Verwendung der Silika-auf-Silizium-Technologie hergestellt wurde;
FIG. 2 ist eine schematische Darstellung eines Sternkopplers, der unter Verwendung der Silika-auf- Silizium-Technologie hergestellt wurde und Kerben aufweist, die sich gemäß den Prinzipien der Erfindung von den Enden von Wellenleitern auf einer Siliziumscheibe zurück erstrecken;
FIG. 3 ist eine Stirnansicht der Vorrichtung von FIG. 2;
FIG. 4 ist eine schematische Abbildung eines Endstücks einer Lichtleitfaser, das gemäß den Prinzipien der Erfindung an einen Wellenleiter auf einer Siliziumscheibe angekoppelt ist;
FIG. 5 ist eine Draufsicht von FIG. 4.
FIG. 6 ist eine Darstellung eines die Prinzipien der Erfindung einsetzenden Verbinders zur Kopplung von Lichtleitfasern an Wellenleiter auf einer Siliziumscheibe, wobei der Abstand der Wellenleiter gleich den Durchmessern der Lichtleitfaser oder kleiner ist.

Ausführliche Beschreibung

FIG. 1 zeigt einen in integrierter Optik ausgeführten Mehrkanal-Sternkoppler 20, der auf einem Siliziumsubstrat unter Verwendung von Silika-auf- Silizium-Technologie (SiO&sub2;/Si-Technologie) hergestellt wurde. Der dargestellte Koppler wird ausführlicher in IEEE Photonics Technology Letters, Band 1, Nr. 8, August 1984, Seiten 241-243, von C. Dragone et al. offenbart. Der Koppler besteht aus einer symmetrischen Anordnung zweier Anordnungen von Wellenleitern 22, 24, die durch einen die Mitte des Kopplers einnehmenden Planar-Freiraumbereich 26 getrennt sind. Im Betrieb wird ein Eingangssignal zu einem beliebigen Eingangs- Wellenleiter 22 gleichmäßig zwischen allen Ausgangs- Wellenleitern 24 aufgeteilt.
Der Koppler besteht aus p-dotierten Siliziumfolien, die auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet sind, so wie es in J. Lightwave Technol., Band 6, Seiten 1011-1015, 1988, "Integrated Four- Channel Multi/Demultiplexer Fabricated With Phosphorus Doped SiO&sub2; Waveguides on Si" (Mit phosphor-dotierten SiO&sub2;-Wellenleitern auf Si hergestellter integrierter Vierkanal-Multi-/Demultiplexer) von B.H. Verbeek et al.; und in J. Lightwave Technol., Band 7, Seiten 308- 313, 1989 beschrieben wird.
Bei der Verwendung werden (nicht gezeigte) Eingangs- und Ausgangslichtleitfasern an die Enden der Wellenleiter des Sternkopplers angekoppelt. Die Anbringung der Eingangs- und Ausgangslichtleitfasern an den Enden der Wellenleiter 22, 24 an den Rändern 25, 26 des Substrats 28 ist wahrscheinlich die schwierigste Herausforderung, der man bei der Verkapselung von optischen Vorrichtungen begegnet. Die Enden der Lichtleitfasern und der Wellenleiter auf dem Substrat müssen nach ihrer Ausrichtung mit Toleranzen aneinander gekoppelt werden, die mindestens zehnmal anspruchsvoller sind als die für die Verkapselung integrierter Schaltungen erforderlichen Toleranzen. Wenn die Lichtleitfasern jeweils einzeln angebracht werden, dann ist es wichtig, daß der zur Anbringung einer Lichtleitfaser an einem Wellenleiter verwendete Klebstoff nicht auf die optisch polierte Endfläche eines daneben liegenden bzw. benachbarten Wellenleiters fließt und diese verunreinigt. Wenn ein flüssiger Klebstoff wie zum Beispiel Epoxidharz verwendet wird, dann muß dieser vorsichtig aufgebracht und/oder örtlich ausgehärtet werden, um zu verhindern, daß er eine Endfläche eines daneben liegenden Wellenleiters mit ausgehärtetem Klebstoff überzieht. Da die Abmessungen der Endflächen des Wellenleiters und der Lichtleitfaser sehr klein sind, wird die Faser außerdem über einen sehr kleinen Oberflächenbereich hinweg fixiert. Dies führt zu einer aneinanderstoßenden Verbindungsstelle mit minimaler Festigkeit. In manchen Fällen kann dieses Problem behoben werden, indem die Lichtleitfasern als letzter Schritt zusammen mit Verstärkungsgliedern an das Substrat angegossen werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß durch Spannungen verursachte Fehlausrichtungen auftreten können. Für diejenigen Anwendungen, bei denen nur eine Faser benötigt wird, oder bei denen die Wellenleiter weit auseinanderliegen, können für einen größeren Oberflächenbereich und eine größere Stabilität Kapillarröhren oder Edelsteine mit einem Mittelloch verwendet werden.
FIG. 2 und FIG. 3 zeigen einen in integrierter Optik ausgeführten Mehrkanal-Sternkoppler, der dem von FIG. 1 ähnlich ist und so modifiziert ist, daß die Wellenleiter auf dem Siliziumsubstrat erfindungsgemäß aneinanderstoßend an Lichtleitfasern angekoppelt werden können. FIG. 2 ist eine Draufsicht des Sternkopplers auf einem Substrat 28 und FIG. 3 ist eine Stirnansicht des Substrats des Sternkopplers. Die Abmessungen eines N x N - Sternkopplers, wobei das erste N die Anzahl von Eingangsanschlüssen und das zweite N die Anzahl von Ausgangsanschlüssen darstellt, so wie es in FIG. 1 dargestellt wird, betragen etwa 1,5 x 3,0 cm, mit einer Dicke von etwa 0,55 mm, wenn N gleich 19 ist. Der Abstand der Wellenleiter am Eingangsende 25 und am Ausgangsende 26 beträgt etwa 250 µm.
In FIG. 2 ist zu sehen, daß das Substrat 28 Kerben enthält, die auf jeder Seite der Wellenleiter angeordnet sind, um das Ende jedes Wellenleiters physikalisch von den Enden angrenzender Wellenleiter zu isolieren.
Genauer gesagt befindet sich eine Kerbe 38 zwischen benachbarten Wellenleitern 32 und 34; eine weitere Kerbe 39 befindet sich zwischen benachbarten Wellenleitern 34 und 36. Die Kerben 38, 39 erstrecken sich von dem Rand 25 des Substrats aus zurück entlang jeder Seite des Wellenleiters 34. Der Zweck der Kerben 38, 39 besteht darin, das Ende des Wellenleiters 34 und das darunter liegende Substrat physikalisch von den Enden der Wellenleiter 32, 36 und dem Teil des Substrats, auf dem sie angeordnet sind, zu isolieren.
Somit wird das Ende jedes Wellenleiters und das Substrat, auf dem es angeordnet ist, physikalisch von den Enden der daneben liegenden Wellenleiter und dem Substrat, auf dem diese Enden angeordnet sind, isoliert.
Eine Lichtleitfaser 40, die an ein Wellenleiterende angekoppelt werden soll, als Beispiel Wellenleiter 34, wird in einer Ausführungsform in einen Klebstoff wie zum Beispiel Epoxidharz, einem UV- Klebstoff oder dergleichen, eingetaucht oder mit diesem überzogen. Das überzogene Ende der Lichtleitfaser 40 wird dann mit dem Ende des Wellenleiters 34 ausgerichtet und aneinanderstoßend gegen das Ende des Wellenleiters 34 und das darunter liegende Substrat geführt. Somit liegen die Enden des Wellenleiters 34 und der Lichtleitfaser 40 zusammen.
Der Klebstoff auf dem Ende der Lichtleitfaser verteilt sich über dem Ende der Lichtleitfaser und um die Oberseite und die Seiten des Wellenleiters und des tragenden Endes des Substrats herum. Es wird hiermit auf FIG. 4 bezug genommen, bei der es sich um eine vergrößerte schematische Darstellung der Lichtleitfaser 40 während der aneinanderstoßenden Ankopplung an den Wellenleiter 34 handelt. Es ist zu beachten, daß der Klebstoff um das Ende der Lichtleitfaser 40 herum fließt und dieses verkapselt, und auch um die Oberseite, die Seiten und die Stirnflächen des Zahns 41 herum fließt, der durch die Kerben 38 gebildet wird, und diese verkapselt. Außerdem ist zu beachten, daß die Kerben 38, 39 verhindern, daß der Klebstoff daneben liegende Wellenleiter auf dem Substrat erreicht und diese bedeckt. Gegebenenfalls kann das Trocknen und Aushärten des Klebstoffs mit geeigneten Mitteln beschleunigt werden. Die mechanische Bindung des an das Ende des Wellenleiters angekoppelten Endstücks der Lichtleitfaser ist sowohl zuverlässig als auch robust, weil die beiden Enden durch den Klebstoff verkapselt werden.
FIG. 5 ist eine Draufsicht von FIG. 4, die die Verkapselung des Endes der Faser und des Endes des Wellenleiters durch den Klebstoff darstellt. In FIG. 5 und in FIG. 6 ist die Breite des Zahns, auf dem der Wellenleiter angeordnet ist, kleiner als der Durchmesser der Lichtleitfaser dargestellt. Es ist zu beachten, daß bei der Ausübung der Erfindung die Zahnbreite genauso groß wie der Durchmesser der Lichtleitfaser oder größer sein kann.
Derzeit verwendete Lichtleitfaser weist einen Durchmesser von im wesentlichen 125 µm auf. Deshalb muß der Abstand der Wellenleiter 125 µm offensichtlich übersteigen. In manchen Fällen kann jedoch ein kleinerer Abstand der Wellenleiter erforderlich sein, um verringerte Abmessungen der Vorrichtung zu erzielen. Wenn zum Beispiel der Abstand zwischen Wellenleitern verringert werden kann, dann kann die Anzahl der Vorrichtungen, die auf einer gegebenen Scheibe vorliegen können, vergrößert werden. Ein möglicher unmittelbarer Vorteil ist die Verringerung der Kosten, insbesondere wenn mehrere Maskenschichten erforderlich sind, wie zum Beispiel bei Filtern oder Multiplexern, die Bragg-Reflektoren enthalten, oder wenn geeignete Si&sub3;N&sub4;-Schichten verwendet werden, um eine polarisationsunabhängige Übertragung sicherzustellen. In manchen Fällen kann eine Vorrichtung so groß sein, daß sie nur dann auf einer standardmäßigen Scheibe Platz findet, wenn der Abstand der Wellenleiter wesentlich verringert wird. Zum Beispiel sind große N x N - Koppler mit gängiger Technologie (mit 4 bis 5- zölligen Scheiben und 15-mm-Biegungen) aufgrund der großen Abmessungen der Konzentratoren, wenn N größer als 50 ist, schwer zu realisieren. Es wird daher offensichtlich ein geeigneter Verbinder benötigt, damit Wellenleiter, deren Abstände kleiner als die Durchmesser von Lichtleitfasern sind, mit Lichtleitfasern verbunden werden können.
In FIG. 6 ist ein solcher Verbinder 60 dargestellt. Der Verbinder 60 kann Wellenleiter 62 aus dotiertem Silika umfassen, die auf einer Folie aus dotiertem Silika ausgebildet sind, die auf einem Siliziumsubstrat 64 abgelagert wurde. Der Wellenleiter 62 liegen an einem Ende 66 in einem Abstand auseinander, der größer ist als die Durchmesser der Lichtleitfasern. An dem anderen Ende 68 des Substrats liegen die Wellenleiter in einem Abstand auseinander, der gleich den Abständen der Wellenleiter der (nicht gezeigten) Vorrichtung ist, an die es angefügt werden soll.
Im Betrieb wird eine Vorrichtung mit eng beabstandeten Wellenleitern mit dem Ende 68 des Verbinders 60 ausgerichtet und mit ihm anstoßend verbunden, wobei die Wellenleiter 62 auf dem Verbinder 64 so beabstandet wurden, daß sie mit entsprechenden Wellenleitern auf der Verbindungsvorrichtung gekoppelt werden können. Der Verbinder 60 kann physikalisch mit einem geeigneten Klebematerial, wie zum Beispiel Epoxidharz, UV-Klebstoff oder dergleichen, an die Vorrichtung angekoppelt werden. Die Substanz, die verwendet wird, um die Wellenleiter des Verbinders an die Wellenleiter der Vorrichtung anzufügen, füllt außerdem die Lücken, die an der aneinanderstoßenden Kopplungsstelle bestehen können.
Das andere Ende 66 des Verbinders 60 wird mit Lichtleitfasern verbunden, die entweder Eingangs- oder Ausgangslichtleitfasern sein können. Die Lichtleitfasern 70 werden ähnlich aneinanderstoßend mit den Wellenleitern 62 an dem Ende 66 des Substrats 64 verbunden, wie der Wellenleiter 34 aneinanderstoßend mit der Lichtleitfaser 40 verbunden wird (siehe FIG. 4). In der in FIG. 6 dargestellten Ausführungsform wurde angenommen, daß die räumlichen Begrenzungen an dem Ende 66 unkritisch sind, und deshalb wurde die Breite jedes Zahns größer als der Durchmesser der aneinanderstoßenden Lichtleitfaser 70 gewählt.
Die obige Beschreibung ist lediglich beispielhaft für die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Fachleute können andere Anordnungen und Verfahren implementieren, ohne das Konzept und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Verbindung mindestens zweier Wellenleiter (34) in einem Substrat (28) mit mindestens zwei Lichtleitfasern (70), mit den folgenden Schritten:

Ausbilden von Kerben (38, 39) in einer Kante des Substrats auf jeder Seite eines ersten Endes jedes Wellenleiters, wobei sich die besagten Kerben von der Kante und von den Enden des Wellenleiters entlang den Wellenleitern zurück erstrecken und dadurch einen Luftspalt zwischen den ersten Enden angrenzender Wellenleiter bilden, um zu verhindern, daß auf ein erstes Ende eines Wellenleiters aufgebrachter Klebstoff entlang der Kante des Substrats und auf das erste Ende eines angrenzenden Wellenleiters fließt, wobei die Wellenleiter an der besagten Kante des Substrats in einem Abstand auseinanderliegen, der größer ist als der Durchmesser der Lichtleitfasern, wobei die Breite des zwischen angrenzenden Kerben befindlichen besagten Substrats kleiner ist als der Durchmesser der Lichtleitfasern;

Ausrichten eines Endes einer der Lichtleitfasern mit einem ersten Ende eines der Wellenleiter in aneinanderstoßender Beziehung;

Bewirken, daß sich Klebstoff über dem Ende der Lichtleitfaser und dem Ende des das erste Ende des Wellenleiters haltenden Substrats ausbreitet, wodurch der Klebstoff das Ende der Lichtleitfaser und das erste Ende des Wellenleiters und des haltenden Substrats verkapselt; und

Halten der besagten Enden in ausgerichteter aneinanderstoßender Beziehung, bis der Klebstoff fest wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das besagte zwischen angrenzenden Kerben befindliche Substrat eine Abmessung aufweist, die wesentlich größer ist als der Durchmesser der Lichtleitfaser.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die besagten ersten Enden des besagten Wellenleiters und der besagten Lichtleitfaser nach ihrer Ausrichtung mit einem Klebstoff überzogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zweite Enden der besagten Wellenleiter auf dem besagten Substrat in einem Abstand auseinanderliegen, der größer ist als der Durchmesser der Lichtleitfaser.

5. Vorrichtung zum Verbinden einer Lichtleitfaser mit einem Wellenleiter, mit

einem Substrat (28), das in einer seiner Hauptoberflächen mindestens zwei Wellenleiter (34) hält, wobei sich in einer Kante (25, 26) des besagten Substrats auf jeder Seite eines ersten Endes (36) jedes Wellenleiters Kerben (38, 39) befinden, wobei sich die besagten Kerben von der Kante und von den Enden des Wellenleiters entlang dem Wellenleiter zurück erstrecken und dadurch einen Luftspalt zwischen den Enden angrenzender Wellenleiter bilden, um zu verhindern, daß ein auf das Ende eines Wellenleiters aufgebrachter Klebstoff entlang der Kante des Substrats zu dem Ende eines angrenzenden Wellenleiters fließt,

wobei die besagten ersten Enden der besagten Wellenleiter in einem Abstand auseinanderliegen, der größer ist als der Durchmesser einer Lichtleitfaser, die

in aneinanderstoßender Beziehung mit dem besagten ersten Ende eines der zwischen den Kerben befindlichen Wellenleiter positioniert ist, wobei die Breite des besagten zwischen angrenzenden Kerben befindlichen Substrats kleiner ist als der Durchmesser der entsprechenden Lichtleitfaser,

wobei die besagte Lichtleitfaser mit Klebstoff, der das Ende der Lichtleitfaser und das Ende des Lichtwellenleiters einschließlich des Endes des den Lichtwellenleiter haltenden Substrats bedeckt und verkapselt, fest mit dem besagten Wellenleiter verbunden wird.