DE112012003394B4

DE112012003394B4 - Photonisch integrierte Schaltungsvorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung, Kopplungssystem einer photonisch integrierten Schaltung und Kopplungseinheit eines photonischen Chip

Info

Publication number: DE112012003394B4
Application number: DE112012003394.9T
Authority: DE
Inventors: Fuad E. Doany; Benjamin G. Lee; Clint L. Schow
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2032-07-28
Also published as: CN103890625B; GB201403272D0; US9568679B2; GB2508543A; DE112012003394T5; CN103890625A; WO2013025327A3; GB2508543B; WO2013025327A2; US20130084039A1; US9229169B2; US20170003453A1

Abstract

Photonische integrierte Schaltungsvorrichtung, aufweisend:einen photonischen Chip (200) mit einem Wellenleiter (202), der Aperturen an einer Seitenrandfläche des photonischen Chip aufweist; undein Linsen-Array-Kopplungselement (100), das auf einer oberen Oberfläche des photonischen Chip und an der Seitenrandfläche angebracht ist, wobei das Kopplungselement ein Linsen- Array (102) aufweist, das so konfiguriert ist, dass es Punktgrößen von Licht ändert, das sich zu dem Wellenleiter hin oder von dem Wellenleiter weg bewegt, sowie einen Überstand (104) auf einer Seite des Kopplungselements, der der Linsenanordnung gegenüberliegt und der an die obere Oberfläche des photonischen Chip angrenzt, wobei der Überstand eine senkrechte Anschlagfläche (112) aufweist, die eine Tiefe aufweist, welche so konfiguriert ist, dass sie einen Rand des Wellenleiters mit einer Brennweite der Linsenanordnung waagrecht ausrichtet und Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters senkrecht ausrichtet, wobei der Überstand (104) weiterhin mindestens ein Referenzmerkmal (901) aufweist, das von der senkrechten Anschlagfläche (112) vorsteht und dessen Seitenflächen (906) nicht senkrecht auf dem Überstand stehen (908),wobei die obere Oberfläche des photonischen Chip weiterhin mindestens ein komplementäres Merkmal (1002) aufweist, das mit dem mindestens einen Referenzmerkmal ausgerichtet ist, und wobei die Merkmale so konfiguriert sind, dass sie eine Referenz für eine seitliche Ausrichtung zwischen den Brennpunkten der Linsenanordnung und dem Rand des Wellenleiters bereitstellen, undwobei das Linsen-Array-Kopplungselement (100) mindestens eine leitende Kontaktfläche aufweist, die auf einer dritten Fläche (116) angeordnet ist, welche sich über und normal zu der senkrechten Anschlagfläche (112) befindet, und wobei der photonische Chip (200) mindestens eine Kontaktfläche aufweist, die gegenüber der leitenden Kontaktfläche des Linsen-Array-Kopplungselement (100) ausgerichtet ist.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf photonische integrierte Schaltungen und insbesondere auf optische Kopplungen mit photonischen integrierten Schaltungen.
Beschreibung des Standes der Technik
Photonische Chips sind Teil einer neu entstehenden Technologie, die Licht anstelle von elektrischem Strom als Ausgangsbasis für den Betrieb verwendet. Photonische Chips werden voraussichtlich ein wesentlicher Baustein von Verbindungsnetzwerken in künftigen Computern sein, die schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten mit geringer Leistungsaufnahme anbieten. Photonische Schaltungen können des Weiteren direkt in Prozessorchips eingebaut werden, um eine dichte Integration von elektronischen und photonischen Schaltungen zu ermöglichen. Ein Vorteil der Verwendung von Licht als Grundlage für den Betrieb von Schaltungen besteht darin, dass die Energiekosten für die Hochgeschwindigkeitssignalübertragung wesentlich niedriger sind als bei elektronischen Chips. Eine leistungsstarke Kopplung zwischen photonischen Chips und anderen optischen Einheiten wie beispielsweise Fasern, die diesen Vorteil unterstützt, stellt somit einen wichtigen Aspekt von photonischen integrierten Schaltungen dar.
In diesem Kontext sind bereits folgende Dokumente bekannt: Das Dokument JP 2008 - 89879 A beschreibt einen optischen Koppler, bei dem eine Mehrzahl von Linse und ein optischer Wellenleiter mit mehreren Kernen in einer einfachen Konfiguration hochgenau aufeinander ausgerichtet werden. Weiterhin beschreibt das Dokument US 5 420 722 A , dass eine zylindrische Mikrolinse direkt auf einer Laserdiode unter Zuhilfenahme von Referenzecken montiert wird, wobei ein Trägermaterial der Laserdiode zu Hilfe genommen wird. Schließlich beschreibt das Dokument US 2003 / 0 202 769 A1 ein Glasfaser-Endanschluss / -Verbinder bzw. dessen Herstellung. Dabei wird tiefes reaktives lonenätzen eingesetzt, um eine Mehrzahl von Löchern in ein Siliziums-Substrat zu ätzen, um dann eine Glasfaser in mindestens einem Loch zu platzieren.
Kurzdarstellung
Der Gegenstand des hier vorgestellten neuen Konzeptes wird durch den unabhängigen Anspruch bzw. die neben geordneten Ansprüche beschrieben. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
Figurenliste
Die Offenbarung beschreibt Einzelheiten in der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren, wobei:

1 eine dreidimensionale Ansicht eines Kopplungselements mit einer Linsenanordnung eines photonischen Chip gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
2 bis 3 Schaubilder einer Ausführungsform einer photonischen integrierten Schaltungsvorrichtung mit einem Kopplungselement mit einer Linsenanordnung sind;
4 bis 5 Schaubilder von Ausführungsformen von Kopplungssystemen einer photonischen integrierten Schaltung sind;
6 eine dreidimensionale Ansicht eines Kopplungselements mit einer Linsenanordnung eines photonischen Chip gemäß einer alternativen beispielhaften Ausführungsform ist;
7 bis 8 Schaubilder einer Ausführungsform einer photonischen integrierten Schaltungsvorrichtung mit einem alternativen Kopplungselement mit einer Linsenanordnung sind;
9 eine dreidimensionale Ansicht eines Kopplungselements mit einer Linsenanordnung eines photonischen Chip gemäß einer alternativen beispielhaften Ausführungsform ist;
10 bis 11 Schaubilder einer Ausführungsform einer photonischen integrierten Schaltungsvorrichtung mit einem alternativen Kopplungselement mit einer Linsenanordnung sind;
12 ein Schaubild eines alternativen Kopplungssystems einer photonischen integrierten Schaltung ist;
13 bis 16 Schaubilder sind, die die Herstellung eines Kopplungselements mit einer Linsenanordnung eines photonischen Chip gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulichen; und
17 ein Blockschaubild/Ablaufplan eines Verfahrens zum Herstellen eines Kopplungselements mit einer Linsenanordnung eines photonischen Chip gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Ein wirtschaftlicher Aspekt von photonischen Chips besteht darin, dass sie mit Standardtechniken und -prozessen hergestellt werden können, die bei der Fertigung von CMOS-Einheiten (CMOS = complementary metal-oxide-semiconductor, komplementärer Metalloxid-Halbleiter) verwendet werden. Photonische Chips mit integrierten Wellenleitern können zum Beispiel unter Verwendung von CMOS-Prozessen hergestellt werden. Photonische Schaltungen aus Silicium verwenden üblicherweise Silicium-Wellenleiter, die kleiner als 0,5 µm sind, für aktive photonische Schaltungen wie beispielsweise Modulatoren, Detektoren und Schalter. Um den Chip jedoch wirksam mit anderen Einheiten wie beispielsweise Monomodefasern (single-mode fibers) zu koppeln, sollte die Punktgröße des Lichts, das aus den Wellenleitern heraustritt, für Off-Chip-Einheiten vergrößert werden, die eine kleinere numerische Apertur aufweisen. On-Chip-Wellenleiter werden gewöhnlich in SiN oder SiON mit Abmessungen von rund 1 µm × 2 µm hergestellt, um eine Kompatibilität mit CMOS-Standardprozessen zu gewährleisten, da eine Größenordnung von weit über 1 µm in der Höhe generell nicht mit CMOS-Prozessen vereinbar ist. Die numerischen Aperturen dieser On-Chip-Wellenleiter sind jedoch immer noch relativ groß verglichen mit beispielsweise herkömmlichen Monomodefasern (single-mode fiber, SMF), die verwendet werden, um den Chip mit anderen Einheiten zu koppeln. Aufgrund des großen Unterschieds zwischen photonischen Wellenleitern und Fasern in Bezug auf die Punktgröße und die numerischen Apertureigenschaften sind optische Kopplungen zwischen den integrierten Wellenleitern und den Fasern daher ziemlich wirkungslos.
Um dieses Problem zu beseitigen, können zwischen den integrierten Wellenleitern und Off-Chip-Einheiten Stirnflächenkopplungen mit Spezialfasern hergestellt werden, die Abmessungen und numerische Apertureigenschaften aufweisen, die denjenigen des Wellenleiters ähneln. Spezialfasern sind jedoch teuer, und sowohl für die Ausrichtung als auch die Herstellung der Faser-zu-FaserAnordnung ist eine sehr große Genauigkeit (unter 0,5 µm) erforderlich. Hierin nachfolgend beschriebene Ausführungsformen stellen ein alternatives Mittel zur Verringerung der numerischen Apertureigenschaften des On-Chip-Wellenleiters und zur Durchführung einer Punktgrößenänderung für eine Kopplung zwischen dem On-Chip-Wellenleiter und einer SMF mit größerem Kern oder einem externen Wellenleiter oder einem anderen optischen Off-Chip-Element bereit. Gemäß einem beispielhaften Aspekt kann eine Linsenanordnung verwendet werden, um die Punktgrößenänderung durchzuführen. Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich insbesondere auf ein wirksames und elegantes Mittel zum Ausrichten der Linsenanordnung mit einem Wellenleiter, der sich an einer Seitenrandfläche eines photonischen Chip befindet und der Licht waagrecht lenkt. Um die Ausrichtung auszuführen, verwenden Ausführungsformen eine senkrechte Anschlagfläche, die einen Rand des Wellenleiters mit einer Brennweite der Linsenanordnung waagrecht ausrichtet und Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters senkrecht ausrichtet.
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf Ablaufplandarstellungen und/oder Blockschaubilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Einheiten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Der Ablaufplan und die Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Vorrichtungen, Verfahren und Einheiten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die im Block angegebenen Funktionen bei einigen alternativen Ausführungen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren dargestellt ablaufen können. Zwei aufeinanderfolgend dargestellte Blöcke können zum Beispiel tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können je nach entsprechender Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung anhand einer gegebenen veranschaulichenden Architektur mit einem Wafer beschrieben wird; andere Architekturen, Strukturen, Substratmaterialien sowie Prozessmerkmale und Schritte können im Rahmen des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung jedoch variiert werden.
Wenn ein Element, das als eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat beschrieben wird und das als „auf‟ oder „über“ einem anderen Element liegend bezeichnet wird, versteht sich ferner, dass es direkt auf dem anderen Element liegen kann oder dass auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf‟ oder „direkt über“ einem anderen Element liegend bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegende Elemente vorhanden. Wenn ein Element, das als eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat beschrieben wird und das als „unterhalb“ oder „unter“ einem anderen Element liegend bezeichnet wird, versteht sich ebenso, dass es direkt unterhalb des anderen Elements liegen kann oder dass auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn dagegen ein Element als „direkt unterhalb“ oder „direkt unter“ einem anderen Element liegend bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegende Elemente vorhanden. Wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, versteht sich ferner, dass es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn dagegen ein Element mit einem anderen Element als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegende Elemente vorhanden.
Ein Entwurf für einen photonischen Chip einer integrierten Schaltung und ein oder mehrere Kopplungselemente mit einer Linsenanordnung kann in einer Programmiersprache eines grafischen Computers erstellt und in einem Speichermedium eines Computers (beispielsweise einer Platte, einem Band, einer physischen Festplatte oder virtuellen Festplatte wie in einem Speicherzugriffsnetzwerk) gespeichert werden. Wenn der Entwickler keine Chips oder fotolithografischen Masken herstellt, die zur Fertigung von Chips verwendet werden, kann der Entwickler den entstandenen Entwurf durch ein physisches Mittel (z.B. durch Bereitstellung einer Kopie des Speichermediums, auf dem der Entwurf gespeichert ist) oder elektronisch (z.B. über das Internet) direkt oder indirekt an solche Unternehmen weiterleiten. Der gespeicherte Entwurf wird anschließend in das geeignete Format (z.B. GDSII) umgewandelt, um fotolithografische Masken herzustellen, die gewöhnlich zahlreiche Kopien des betreffenden Chip-Entwurfs enthalten, die auf einem Wafer gebildet werden sollen. Die fotolithografischen Masken werden verwendet, um Bereiche des Wafer (und/oder der darauf befindlichen Schichten) zu definieren, die geätzt oder auf andere Weise bearbeitet werden sollen.
Verfahren wie hierin beschrieben, können für die Herstellung von integrierten Schaltungschips mit Linsenanordnungskopplungen verwendet werden. Die entstandenen integrierten Schaltungschips können vom Hersteller in Form eines Roh-Wafer (das heißt, als einzelner Wafer mit zahlreichen Chips ohne Gehäuse), als bloßer Chip oder in einer Form mit Gehäuse vertrieben werden. In letzterem Fall wird der Chip in einem Einzel-Chip-Gehäuse (beispielsweise einem Kunststoffträger mit Anschlussdrähten, die an einer Hauptplatine oder einem anderen übergeordneten Träger befestigt sind) oder in einem Mehrfach-Chip-Gehäuse angebracht (beispielsweise einem Keramikträger, der entweder über Oberflächenverbindungen oder vergrabene Verbindungen oder beides verfügt). Der Chip wird in jedem Fall anschließend mit anderen Chips, diskreten Schaltungselementen und/oder sonstigen Signalverarbeitungseinheiten als Teil entweder (a) eines Zwischenprodukts wie beispielsweise einer Hauptplatine oder (b) eines Endprodukts integriert. Bei dem Endprodukt kann es sich um ein beliebiges Produkt handeln, das integrierte Schaltungschips beinhaltet, von Spielzeug und anderen einfachen Anwendungen bis zu hochentwickelten Computerprodukten, die eine Anzeige, Tastatur oder andere Eingabeeinheit und einen Zentralprozessor aufweisen.
Mit Bezug nunmehr auf die Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern gleiche oder ähnliche Elemente kennzeichnen, und mit Bezug zuerst auf 1 ist ein Kopplungselement 100 mit einer Linsenanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden Grundgedankens veranschaulicht. Wie in 1 veranschaulicht, kann das Kopplungselement eine Anordnung 102 von Linsen und einen Überstand 104 beinhalten, der sich auf einer Seite des Kopplungselements befindet, die der Linsenanordnung 102 gegenüberliegt. Das Linsenanordnungselement 100 kann eine leistungsstarke Kopplung zwischen einer integrierten Wellenleiteranordnung und einer Faseranordnung oder einer anderen optischen Einheit bereitstellen. Wellenleiter aus SiN oder SiON weisen gewöhnlich eine numerische Apertur auf, die größer als 0,4 ist, mit einem rechteckigen Kern, der eine Fläche von rund 1 µm × 2 bis 3 µm aufweist, während eine Standard-SMF eine numerische Apertur von rund 0,1 und einen Kerndurchmesser zwischen 8 bis 9 µm aufweist. Die Linsenanordnung 102 kann eine Punktgrößenänderung bereitstellen, die der SMF mit hoher Leistungsfähigkeit gleichkommt, während der Überstand 104 ein einfaches und elegantes Mittel bereitstellen kann, um sowohl die Brennweite der Linsenanordnung als auch die senkrechte Positionierung der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters in Übereinstimmung zu bringen.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Linse in der Anordnung 102 konzipiert werden, um eine vier- bis fünffache Vergrößerung zwischen dem Wellenleiter und der SMF bereitzustellen. Die Punktgröße von 1 × 2 µm eines Wellenleiters am Rand des photonischen Chip kann auf rund 4 × 8 µm oder 5 × 10 µm vergrößert werden, um besser mit der Kerngröße der SMF übereinzustimmen, die ungefähr zwischen 8 bis 9 µm liegt. Des Weiteren wird die numerische Apertur (NA) gleichzeitig um einen Faktor von 4 bis 5 verkleinert, um mit der NA der SMF übereinzustimmen. Die Linsenanordnung 104 kann mit einem Rasterabstand gebildet werden, der mit der photonischen Wellenleiteranordnung übereinstimmt, die auf dem Rand des photonischen Chip integriert ist, um ein Mittel zur leistungsstarken Kopplung mit einer standardmäßigen SMF-Anordnung oder anderen optischen Einheiten bereitzustellen. Hier kann jedes Kopplungselement 100 mit einer Linsenanordnung für einen gegebenen Wellenleiter angepasst werden, und zahlreiche Kopplungselemente 100 können auf demselben photonischen Chip verwendet werden, um eine Vielzahl von entsprechenden Wellenleitern auf dem Chip unterzubringen. Die Linsenanordnung 102 kann linear sein und einen Rasterabstand von rund 250 µm aufweisen. 250 µm sind ein typischer Rasterabstand von Faseranordnungen, obgleich andere Wellenleiter- und Faser-Rasterabstände zwischen 50 µm und 1 mm verwendet werden können.
Die Vorteile der Verwendung einer Linsenanordnung zum Ändern der Punktgröße des Lichts zwischen dem Wellenleiter und Off-Chip-Einheiten sind zwar groß, doch aufgrund der Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Ausrichten der Linsenanordnung in der richtigen Position in Bezug auf den Rand des Wellenleiters sind diese schwer zu verwirklichen. Mit Bezug auf 2 zum Beispiel und weiterhin mit Bezug auf 1 sind eine Randansicht eines photonischen Chip 200 und ein integrierter Wellenleiter 202 veranschaulicht. Eine Draufsicht des photonischen Chip 200 und des Wellenleiters 202 ist in 3 veranschaulicht. Der integrierte Wellenleiter 202 weist hier Aperturen am Rand 206 des photonischen Chip auf und ist so konzipiert, dass er Licht zu oder von dem Rand 206 des photonischen Chip waagrecht weiterleitet. Die Wellenleiteranordnung 202 wird auf einer internen Schicht einige Mikrometer unter der oberen Oberfläche 208 des Chip 200 gebildet. Der Wellenleiter 202 unterscheidet sich erheblich von flächennormalen Wellenleitern, die Licht zu oder von der oberen Oberfläche 208 des photonischen Chip weiterleiten, die den größten freiliegenden Oberflächenbereich des Chip aufweist. Die auf den Rand gerichteten Wellenleiter erlauben die Verwendung größerer integrierter Schaltungen, um die waagrechte Kopplung zwischen verschiedenen Einheiten auf einem oder mehreren Substraten zu ermöglichen. Im Gegensatz zur Verwendung komplexer Techniken mit Montagewerkzeugen, um die Linsenanordnung richtig mit dem Rand des photonischen Chip auszurichten und zu koppeln, kann hier der Überstand 104 verwendet werden, um die Linsenanordnung genau zu positionieren. Wie oben erwähnt, kann der Überstand 104 insbesondere eine mechanische Referenz oder einen Anschlag bereitstellen, um die Brennweite der Linsenanordnung und die senkrechte Position der Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters auf wesentlich einfachere Art und Weise auszurichten. Die Tiefe 106 des Überstands 104 kann zum Beispiel den Rand 204 des Wellenleiters mit der Brennweite (f_l) der Linsenanordnung 102 ausrichten, während die Höhe 108 der Fläche 114 des Überstands 104 die Brennpunkte der Linsenanordnung mit den entsprechenden Rändern der Kanäle 210 des Wellenleiters 202 senkrecht ausrichten kann. Die Fläche 112 als solche fungiert als eine senkrechte Anschlagfläche, die eine Tiefe aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Rand des Wellenleiters mit einer Brennweite der Linsenanordnung waagrecht ausrichtet und Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters senkrecht ausrichtet. Indem die Ränder des Überstands 104 auf diese Weise verwendet werden, können die Ausrichtung und Befestigung der Linsenanordnung mit bzw. an dem Rand des photonischen Chip 200 daher wesentlich vereinfacht werden, wodurch eine vereinfachte Kopplung verschiedener Elemente einer optischer Einheit durch Linsenanordnungen während der Herstellung von photonischen Schaltungen möglich ist. Das Linsenanordnungselement 100 kann zwölf Linsenelemente mit einem Rasterabstand von 250 µm aufweisen, der Standardfaseranordnungen entspricht. Bei einem Rasterabstand von 250 µm können die Abmessungen des Elements 100 rund 0,5 mm × 3 mm betragen. Die Linsenelemente können Durchmesser von rund 200 µm aufweisen. Die Zahl der Linsenelemente kann zwischen 2 und 100 betragen, mit einem Rasterabstand zwischen 50 µm und 1 mm. Die Brennweite kann typischerweise im Bereich zwischen 50 µm und 1 mm liegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Linsenkrümmung so ausgewählt, dass sie fast gebündeltes Licht von dem photonischen Wellenleiter bereitstellt.
Mit Bezug nunmehr auf die 4 bis 5 und weiterhin mit Bezug auf die 1 bis 3 wird die Funktionsweise des Kopplungselements 100 mit einer Linsenanordnung veranschaulicht. In den Beispielen in den 4 bis 5 dient das Kopplungselement 100 dazu, den Wellenleiter 202 des photonischen Chip 100 mit einer anderen optischen Einheit 400, 500 zu koppeln. Bei der optischen Einheit kann es sich um eine Anordnung von Monomodefasern, einen Wellenleiter 202 eines anderen photonischen Chip 200 oder eine andere optische Einheit handeln. Hier kann das Element 402 eine Monomodefaser oder einen äußeren Teil eines Wellenleiterkanals darstellen, während das Element 404 den Kern einer SMF oder eines Wellenleiterkanals kennzeichnen kann. Das Schaubild von 4 veranschaulicht die Wirkung der Linsenanordnung auf Licht, das von dem Wellenleiter 202 ausgegeben wird. Insbesondere die Ränder jedes Wellenleiterkanals sind so an den Brennpunkten 212 der entsprechenden Linsen der Anordnung 102 angeordnet, dass das Licht 214 aus dem Wellenleiter 202 geändert wird, so dass die Punktgröße des Lichts vergrößert wird, um mit der Größe des Kerns 404 der optischen Einheit 400 übereinzustimmen. Die Punktgröße des Lichts kann zum Beispiel um das Zwei- bis Zehnfache, vorzugsweise um das Vierfache, seiner Größe vergrößert werden, nachdem das Licht aus dem Wellenleiter 202 austritt.
5 veranschaulicht ein ähnliches Konzept, mit der Ausnahme, dass die Lichtstrahlen 216 in die entgegengesetzte Richtung wandern, von der optischen Einheit 500 zum Wellenleiter 202 des photonischen Chip 200. Hier ist das gleiche Kopplungselement 100 mit einer Linsenanordnung an dem photonischen Chip 200 angebracht, um die Punktgröße des Lichts 216 auf die Größe des Kerns der Kanäle des Wellenleiters 202 zu verkleinern. Die Punktgröße des Lichts kann um das Zwei- bis Zehnfache, vorzugsweise um das Vierfache, seiner Größe verkleinert werden, wenn das Licht in den Wellenleiter 202 eintritt. Die Einheit 500 kann eine Anordnung von Monomodefasern, einen Wellenleiter 202 eines anderen photonischen Chip 202, eine Anordnung von Lasern oder eine andere optische Einheit kennzeichnen. Das Element 502 kann eine Monomodefaser, einen äußeren Teil eines Wellenleiterkanals oder einen äußeren Teil eines Lasers darstellen, während das Element 504 den Kern einer SMF, eines Wellenleiterkanals oder einer Laser-Einheit kennzeichnen kann.
Gemäß anderen beispielhaften Aspekten des vorliegenden Grundgedankens kann die Ausrichtung des Linsenanordnungselements 100 weiter vereinfacht werden, indem mechanische passive Ausrichtungsmerkmale sowohl in das Linsenanordnungselement als auch den photonischen Chip integriert werden. Zum Beispiel können mittels Fotolithografie komplementäre Angleichungsmerkmale genau hergestellt werden. Die 6 bis 8 veranschaulichen eine Ausführung von Angleichungsmerkmalen gemäß dem vorliegenden Grundgedanken. 7 stellt eine Randansicht des photonischen Chip 200 bereit, während 8 eine Draufsicht des photonischen Chip 200 bereitstellt. Hier können die Metallkontaktflächen (metal pads) 602 lithografisch strukturiert und auf einer oberen Oberfläche 116 des Überstands 104 des Linsenanordnungselements 100 gebildet werden. Im Gegenzug können komplementäre Metallkontaktflächen 606 mittels Fotolithografie auf der oberen Oberfläche 208 des photonischen Chip 200 gebildet werden. Die Metallkontaktflächen 602 auf dem Kopplungselement 100 mit einer Linsenanordnung können zusammen mit den Metallkontaktflächen 606 auf dem photonischen Chip hergestellt werden. Um das Kopplungselement 100 mit einer Linsenanordnung mit dem Rand des photonischen Chip 200 zu verbinden, können die Metallkontaktflächen 602 und 606 ausgerichtet werden, um eine genaue Ausrichtung in seitlicher Richtung 610 zwischen den Brennpunkten der Linsen in der Linsenanordnung 102 und den Rändern der Kanäle 210 des Wellenleiters 202 zu ermöglichen. Für eine präzise Ausrichtung ist es wünschenswert, anstelle weniger größerer Anschlussflächen (bond pads) eine Anordnung von kleinen Anschlussflächen zu verwenden. Beispielsweise kann eine Anordnung von Anschlussflächen der Größe 5 bis 20 µm mit einem Abstand von 10 bis 50 µm verwendet werden. Die Zahl der Anschlussflächen kann 2 bis 50 oder mehr betragen.
Mit Bezug nunmehr auf die 9 bis 11 und weiterhin mit Bezug auf die 1 bis 3 und 8 wird ein Kopplungselement 900 mit einer Linsenanordnung veranschaulicht, das gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dreidimensionale mechanische Referenzmerkmale 901 beinhaltet. Hier ist das Kopplungselement 900 im Wesentlichen gleich wie das Kopplungselement 100, mit der Ausnahme, dass eine Vielzahl von Referenzmerkmalen 901 an der unteren Fläche 903 des Überstands 104 hinzugefügt wurden, der so konfiguriert ist, dass er an die obere Oberfläche 208 des photonischen Chip 200 angrenzt. Das Referenzmerkmal 901 weist eine untere Fläche 904 mit einer Länge 106 auf, die mit der Tiefe des Überstands 104 übereinstimmt. Wie oben erwähnt, kann die Tiefe des Überstands verwendet werden, um die Ränder des Wellenleiters mit der Brennweite der Linsen in der Anordnung 102 auszurichten. Die untere Fläche des Referenzmerkmals 901 ist flach und so konfiguriert, dass sie parallel zu der unteren Fläche 903 des Überstands der Kopplung 900 ist. Die Seitenflächen 906 der Referenzmerkmale 901 sind so angewinkelt, dass die Seitenflächen 906 als Führungen fungieren, um ein richtiges Anbringen des Kopplungselements 900 mit einer Linsenanordnung an dem photonischen Chip zu ermöglichen. Wie zum Beispiel in 10 veranschaulicht, kann der photonische Chip 1000 ein komplementäres Referenzmerkmal 1002 in der oberen Oberfläche 1008 des Chip beinhalten. 11 stellt eine vereinfachte Ansicht des photonischen Chip 1000 und der Linsenanordnung 900 bereit. Hier ist das komplementäre Merkmal 1002 im Wesentlichen ein rechteckiger Schlitz und weist eine Tiefe auf, die mit der Tiefe der Fläche 902 des Referenzmerkmals 901 übereinstimmt. Die Seitenflächen 906 des Referenzmerkmals 901 des Linsenanordnungselements 900 sind darüber hinaus so konfiguriert, dass sie an die oberen Ränder 1004 der komplementären Merkmale 1002 angrenzen, wenn das Element 900 auf den Chip 1000 abgesetzt wird. Die Seitenflächen 906 sind insbesondere so angewinkelt, dass sie nicht parallel zu den Seitenflächen 908 des Linsenanordnungselements verlaufen. Das angewinkelte Merkmal der Flächen 906 dient dazu, das Linsenanordnungselement 900 in seitlicher Richtung 610 in eine richtige Ausrichtung mit den Wellenleiterkanälen 202 zu bringen, wenn das Element 900 auf den Chip 1000 abgesetzt wird. Die Referenzmerkmale 901 können auf diese Weise die genaue Ausrichtung in seitlicher Richtung zwischen den Brennpunkten der Linsen in der Linsenanordnung 102 und den Rändern der Kanäle 210 des Wellenleiters 202 weiter vereinfachen. Die dreidimensionalen Referenzmerkmale 901 können zusammen mit den komplementären Referenzmerkmalen 1002 des photonischen Chip lithografisch hergestellt werden. Um die Platzierungsgenauigkeit im Submikrometerbereich zu vereinfachen, können die dreidimensionalen Referenzmerkmale 901 und die komplementären Referenzmerkmale 1002 des photonischen Chip Abmessungen in der Größenordnung von 10 µm aufweisen und können mit Lithografietechniken mit einer Auflösung von weniger als 0,1 µm hergestellt werden. Wichtige Abmessungen des Referenzmerkmals 1002 sind zum Beispiel die Breite und die Tiefe der Fläche. Die Breite kann Abmessungen zwischen 5 und 50 µm aufweisen, während die Tiefe zwischen 1 und 50 µm betragen kann. Die Länge kann zwischen 50 bis 500 µm betragen und kann, wie oben angegeben, mit der Tiefe 106 des Überstands übereinstimmen. Das komplementäre Merkmal 901 auf dem photonischen Chip kann ähnliche Abmessungen aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass gemäß anderen beispielhaften Aspekten eine optische Kopplung mit einer Doppellinsenanordnung gebildet werden kann. Mit Bezug auf 12 zum Beispiel ist ein optisches System veranschaulicht, bei dem ein erstes Linsenanordnungselement 100 auf einem photonischen Chip 200 integriert ist und ein zweites Linsenanordnungselement 1200 auf einer anderen optischen Einheit 400 integriert und mit dem ersten Linsenanordnungselement 100 ausgerichtet ist. Obgleich das Kopplungselement 100 mit einer Linsenanordnung mit dem entsprechenden photonischen Chip 200 hier als ein Beispiel verwendet wird, sei darauf hingewiesen, dass ein beliebiges der vorstehend beschriebenen Angleichungs- und Referenzmerkmale in das Kopplungselement und den photonischen Chip integriert werden kann. Wie in 12 veranschaulicht, besteht ein Merkmal der Doppellinsenanordnung darin, dass es fast gebündeltes Licht zwischen den beiden Linsen bereitstellen kann. Das gebündelte Licht lockert die Ausrichtungstoleranzen zwischen dem photonischen Chip 200 und seinem Linsenanordnungselement 100 mit der optischen Einheit 400 und ihrer Linsenanordnung 1200 erheblich, um die Anwendung einer einfachen Bestückungsmontage (pick-and-place assembly) zu ermöglichen. Präzisionsmontage kann verwendet werden, um das Linsenelement 100 mit den vorstehend beschriebenen Mitteln in den photonischen Chip zu integrieren. Die zweite Linsenanordnung 1200 sollte auf ähnliche Weise mit der Anordnung der Einheit 400 mit einer Genauigkeit ausgerichtet werden, die mit der Kerngröße vergleichbar ist. Für einen Faserkern sollte die Ausrichtungsgenauigkeit beispielsweise innerhalb von rund 9 µm liegen. Sobald die beiden Linsenanordnungen in ihre jeweilige optische Einheit (zum Bespiel ein photonischer Chip oder eine Faseranordnung) integriert sind, stellt das gebündelte Licht zwischen den beiden Linsenanordnungen eine wirksame optische Kopplung zwischen den beiden optischen Einheiten bei relativ großen Abweichungen zwischen den beiden Linsenanordnungen bereit, beispielsweise mit einer Abweichung von bis zu 10 bis 20 µm. Diese gelockerten Ausrichtungstoleranzen ergeben sich durch den gebündelten Charakter des Strahls. Bei einem gebündelten Lichteinfall auf eine Linse fokussiert die Linse das Licht auf den Brennpunkt. Dies trifft auf den Lichteinfall auf einen beliebigen Teil der Linse zu. Eine Abweichung zwischen den beiden Linsen verursacht eine Abweichung bei dem gebündelten Lichteinfall auf die zweite Linse, wobei dieser auf den Brennpunkt gelenkt wird. Die Doppellinsenanordnung kann verwendet werden, um den photonischen Chip 200 optisch mit einer Faseranordnung, einem anderen photonischen Chip oder anderen Arten von optischen Elementen zu koppeln. Obgleich 12 eine Ausführungsform veranschaulicht, bei der Licht von dem photonischen Chip 100 zu der optischen Einheit 400 wandert, können die gleichen Linsenanordnungselemente 100 und 1200 für Licht verwendet werden, das in der umgekehrten Richtung zwischen der optischen Einheit und dem photonischen Chip 200 wandert. In diesem Fall wird das Licht zwischen den Anordnungselementen 100 und 1200 ebenfalls gebündelt. Bei der optischen Einheit kann es sich hier um die optische Einheit 500 handeln, die eine Anordnung von Monomodefasern, einen Wellenleiter 202 eines anderen photonischen Chip 202, eine Laser-Anordnung oder eine andere optische Einheit kennzeichnen kann. Es sei darauf hingewiesen, dass das Linsenanordnungselement 1200 jede hier beschriebene Ausführungsform 100, 900 eines Linsenanordnungselements sein kann, wenn es sich bei der optischen Einheit um einen photonischen Chip handelt. Das Element 1200 kann ansonsten im Wesentlichen ein Block mit einer Linsenanordnung 102, jedoch ohne einen Überstand 104 sein. Wie in 12 angezeigt, kann jede Linse des Elements 1200 Licht von oder zu einer entsprechenden Linse in der Anordnung 102 empfangen oder weiterleiten, die mit ihr ausgerichtet ist.
Mit Bezug nunmehr auf die 13 bis 17 und weiterhin mit Bezug auf die 1 bis 12 wird ein Verfahren 1700 zum Herstellen eines optischen Kopplungselements 100, 900 mit einer Linsenanordnung und zum Koppeln eines photonischen Chip mit einer anderen optischen Einheit über das Element 100, 900 beschrieben. Wie oben angegeben, kann das Kopplungselement 100, 900 mindestens eine Multi-Linsenanordnung zum Koppeln von Licht von einem photonischen Chip mit einer anderen optischen Einheit beinhalten. Das Linsenanordnungselement kann eine Linsenanordnung auf einer ersten Fläche und einen geätzten Überstand auf einer zweiten Fläche enthalten, der eine genaue Ausrichtung in senkrechter Richtung zwischen dem Brennpunkt der Linsen und den Rändern der Kanäle des Wellenleiters auf dem photonischen Chip bereitstellt. Die Länge oder Tiefe 108 der geätzten Fläche stellt des Weiteren eine genaue Brennweitensteuerung bereit. Gemäß beispielhaften Aspekten kann die Herstellung des Linsenanordnungselements 100, 900, die Befestigung des Elements 100, 900 an dem photonischen Chip und die Kopplung des photonischen Chip mit einer anderen Einheit unter Verwendung von CMOS-Standardprozessen und -techniken ausgeführt werden. Das Element 100, 900 wird in einem Maßstab auf Wafer-Ebene bearbeitet, und das Verfahren 1700 kann vollständig kompatibel mit einer Wafer-Bearbeitung sein.
Das Verfahren 1700 kann bei Schritt 1702 beginnen, bei dem mindestens ein Substrat 1300 bereitgestellt wird. Bei dem Substrat 1300 kann es sich um Glas, einen Halbleiter wie beispielsweise Silicium, ein Polymer oder eine Kombination davon handeln. Jedes beliebige Material, das bei der Wellenlänge der photonischen Schaltungen transparent ist, kann verwendet werden. Derzeitige photonische Chips arbeiten bei Wellenlängen zwischen 1300 nm und 1600 nm, obgleich andere Wellenlängen möglich sind. In diesem Wellenlängenbereich sind die meisten Gläser wie beispielsweise Quarzglas und Borosilicat transparent. Viele Halbleiter sind ebenfalls transparent wie beispielsweise Silicium, GaAs, InP, GaP und andere Materialien. Ein weiterer Vorteil dieser Materialien (Quarzglas, Borosilicat, Silicium, GaAs, InP und GaP) stellt ihre Verfügbarkeit in Wafer-Form dar, das heißt, polierte Substrate mit einer Dicke zwischen 0,2 und 1 mm und Durchmessern zwischen 50 mm und 300 mm. Dadurch kann zum Herstellen der Linsenelemente eine kostengünstige Wafer-Bearbeitung verwendet werden, die gewöhnlich bei der Halbleiter-Chip-Produktion eingesetzt wird. Ein Standard-Wafer von 200 mm (mit einem Oberflächenbereich, der größer als 30.000 mm² ist) kann zum Beispiel rund 20.000 Linsenanordnungen mit einem typischen Oberflächenbereich von rund 1,5 mm² (Abmessungen von 3 mm × 0,5 mm) bereitstellen.
Bei Schritt 1704 wird die Linsenanordnung 102 auf der ersten Fläche 1302 des Substrats 1300 hergestellt. Gemäß einem beispielhaften Aspekt kann es sich bei den Linsen der Anordnung 102 um Brechungslinsen handeln, die mittels fotolithografischer Techniken in der Oberfläche des Substrats geformt oder in die Oberfläche des Substrats geätzt werden. Ein Prozess, der zur Herstellung von Linsen verwendet werden kann, kann lithografisches Strukturieren eines Fotolacks beinhalten, der auf dem Substrat-Wafer abgeschieden wird, was zu einzelnen zylindrischen Fotolackmerkmalen führt, die jeder Linse auf der Oberfläche entsprechen. Der Fotolack kann bei einer erhöhten Temperatur wiederaufgeschmolzen werden, um halbkugelförmige Formen zu erzeugen. Die gewünschte Linsenform kann durch die Steuerung des Durchmessers und des Temperaturprofils des Wiederaufschmelzprozesses erzielt werden. Nach der Bildung der Fotolacklinsen kann das gesamte Substrat einem Prozess des reaktiven Ionenätzens (reactive ion etch, RIE) ausgesetzt werden. Bei dem RIE-Prozess werden Materialschichten von dem Substrat und dem Fotolack (Linsen) entfernt. Sobald der Fotolack (Linsen) vollständig aufgebraucht ist, kann die Linsenform in das Substrat übertragen werden. Zum Beispiel kann das Substrat in 13 bearbeitet werden, um die in 14 dargestellte Linsenanordnung 102 herzustellen. Bei den Linsen kann es sich alternativ auch um Beugungslinsen handeln, die in die Oberfläche des Substrats geätzt werden.
Bei Schritt 1706 kann der Überstand 104 auf der gegenüberliegenden Fläche 1304 des Substrats gebildet werden. Wie zum Beispiel in den 13 und 14 veranschaulicht, können Präzisionslithografie- und Ätztechniken verwendet werden, die den Techniken ähneln, welche bei Schritt 1704 angewendet werden können, um die gegenüberliegende Fläche 1304 je nach Richtung des Ätzvorgangs bis zur Tiefe 106 oder Tiefe 108 zu ätzen. Der Ätzvorgang kann darüber hinaus über einem Bereich der Oberfläche des Substrats durchgeführt werden, um den Überstand 104 je nach Richtung des Ätzvorgangs mit einer Höhe 108 bzw. 106 zu bilden. Wie oben beschrieben, ermöglicht die Tiefe 106 eine richtige Ausrichtung der Brennweite der Linsen der Anordnung 102 mit dem Rand der Kanäle des Wellenleiters 202, während die Höhe 108 die senkrechte Ausrichtung des Brennpunkts der Linsen der Anordnung 102 mit dem Rand der Kanäle des Wellenleiters 202 ermöglicht. Auf diese Weise kann der Überstand 104 somit gleichzeitig eine genaue Platzierung für zwei Achsen bereitstellen: der optischen Achse entlang der Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters und der senkrechten Höhe ab der Fläche 208 des photonischen Chip.
Bei Schritt 1708 können optional Ausrichtungsmerkmale über oder auf dem Überstand 104 hergestellt werden. Hier kann Schritt 1708 gleichzeitig mit Schritt 1706 durchgeführt werden. Wie oben angegeben, können Angleichungsmerkmale 602 auf einer Fläche 116 gebildet werden, die sich über und normal zu der senkrechten Anschlagfläche 112 des Überstands 104 befindet, oder die Referenzmerkmale 901 können auf der senkrechten Anschlagfläche 112 des Überstands 104 gebildet werden. Die untere Seitenfläche 904 und die angewinkelte Seitenfläche 906 können zum Beispiel gebildet werden, um die Referenzmerkmale 901 herzustellen. Diese können im gleichen Schritt wie die Bildung des Überstands hergestellt werden. Die komplementären Angleichungs- oder Referenzmerkmale 606 oder 1002 können weiterhin zusammen mit den Merkmalen 602 bzw. 901 auf der oberen Oberfläche 208 des photonischen Chip hergestellt werden. Zwei lithografische Schritte können verwendet werden, um die Metallkontaktfläche 602 und das mechanische 3-D-Anschlagmerkmal 901 herzustellen. Diese beiden Schritte können sequenziell durchgeführt werden, und jeder Schritt kann eine Fotolackbearbeitung beinhalten, um die Merkmale zu definieren. Für die Metallkontaktflächen 602 kann das definierte Merkmal mit Cu oder Al und einer Haftschicht aus Ti oder Cr metallisiert werden. Für das mechanische Merkmal 901 kann das Merkmal direkt in den Überstand strukturiert werden, und der gleiche RIE-Schritt kann verwendet werden, um den Überstand und das mechanische Merkmal 901 gleichzeitig zu ätzen. Hier können die Lithografie- und Ätztechniken, die zur Herstellung der Angleichungs- oder Referenzmerkmale auf dem Linsenanordnungselement und dem photonischen Chip verwendet werden, eine relative Genauigkeit von weniger als 0,1 µm erzielen. Der Überstand als solcher kann eine Genauigkeit von rund 0,1 µm bereitstellen, um das Linsenanordnungselement an dem photonischen Chip anzubringen. Obgleich die in den 9 bis 11 dargestellten Ausführungsformen die Merkmale 901 als auf dem Kopplungselement 900 geätzt veranschaulichen, sei darauf hingewiesen, dass bei alternativen Ausführungsformen anstelle der Merkmale 1002 die Merkmale 901 auf dem photonischen Chip geätzt werden können. In diesem Fall können darüber hinaus die Merkmale 1002 anstelle der Merkmale 901 in den Überstand des Kopplungselements 900 geätzt werden.
Bei Schritt 1709 kann der Überstand des Linsenanordnungselements 100, 900 mit der Seitenrandfläche 206 des photonischen Chip 200 und dem Rand 204 des Wellenleiters 202 ausgerichtet werden. Wie oben angegeben, kann zum Beispiel die Tiefe 106 der senkrechten Anschlagfläche 112 verwendet werden, um den Rand 204 des Wellenleiters mit der Brennweite der Linsenanordnung waagrecht auszurichten. Die senkrechte Anschlagfläche 112 kann darüber hinaus auch verwendet werden, um Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters senkrecht auszurichten, während die Fläche 114, die normal zur Fläche 112 ist, als eine Randanschlagfläche in Bezug auf den Rand 206 des photonischen Chip 200 dienen kann. Wie oben erörtert, können die optionalen Referenzmerkmale 602/606 oder 901/1002 ferner verwendet werden, um die seitliche Ausrichtung der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters zu bewirken. Die vorstehenden Referenzmerkmale 901 auf dem Linsenanordnungselement 100 können zum Beispiel in die Schlitze 1002 des photonischen Chip 200 abgesetzt und in diesen Schlitzen angeordnet werden. Insbesondere wenn das Linsenanordnungselement 100 abgesetzt wird, können die angewinkelten Seiten 906 auf den Rändern 1004 der Schlitze 1002 entlanggleiten, wodurch das Linsenanordnungselement 100 für die seitliche Ausrichtung zwischen den Brennpunkten der Linsenanordnung und dem Rand des Wellenleiters geführt wird. Wenn alternativ mit Bezug auf 3 die Referenzmerkmale 602/606 oder 901/1004 nicht verwendet werden, kann die Länge 118 des Linsenanordnungselements 100 so konfiguriert werden, dass sie mit der Breite 218 des photonischen Chip 200 übereinstimmt. Ein Substrat mit einer solchen übereinstimmenden Länge kann zum Beispiel bei Schritt 1702 bereitgestellt werden, oder ein größeres Substrat kann bei Schritt 1702 bereitgestellt und bei den Schritten 1704 oder 1706 auf die übereinstimmende Länge geätzt werden. In diesem Fall können die Seitenflächen 120a und 120b des Linsenanordnungselements 100 mit den Seitenflächen 220a bzw. 220b des photonischen Chip 200 ausgerichtet werden, um Schritt 1709 auszuführen.
Bei Schritt 1710 kann das Linsenanordnungselement 100, 900 mit dem photonischen Chip 200, 1000 verbunden werden. Wie oben beschrieben, können der Überstand 104 und die optionalen Angleichungs- oder Referenzmerkmale verwendet werden, um das Anordnungselement 100, 900 und den photonischen Chip 200, 1000 so zu positionieren, dass die Ränder der Kanäle des Wellenleiters 202 genau mit dem Brennpunkt der Linsen in der Anordnung 102 ausgerichtet sind. Das Verbinden der Linsenanordnung mit dem photonischen Chip kann unter Verwendung eines Klebemittels wie Epoxid oder durch Löten beispielsweise unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Metallkontaktflächen 602 und 606 durchgeführt werden. In beiden Fällen wird die Ausrichtung für die Ausführungsform 900 durch die 3-D-Merkmale definiert, die in die Linsenanordnung (901) und den photonischen Chip (1002) geätzt werden. Das Klebemittel oder Lötmittel kann verwendet werden, um die beiden Komponenten miteinander zu verankern, während die geätzten 3-D-Merkmale die Angleichung im Submikrometerbereich zwischen den beiden Komponenten bereitstellen.
Optional kann bei Schritt 1712 ein zweites Linsenanordnungselement 1200 bereitgestellt werden, um zum Beispiel wie vorstehend mit Bezug auf 12 beschrieben ein Kopplungssystem mit einer Doppellinsenanordnung auszuführen.
Optional kann bei Schritt 1714 das zweite Linsenanordnungselement 1200 mit einer oder mehreren anderen optischen Einheiten 400, 500 gekoppelt werden. Wenn die andere optische Einheit zum Beispiel ein anderer photonischer Chip 200, 1000 mit einem entsprechenden Wellenleiter 202 ist, kann das Linsenanordnungselement 1200 wie oben mit Bezug auf Schritt 1710 beschrieben mit dem photonischen Chip gekoppelt werden.
Bei Schritt 1716 kann der photonische Chip 200, 1000 mit einer oder mehreren anderen optischen Einheiten 400, 500 über das Linsenanordnungselement 100, 900 beispielsweise wie oben mit Bezug auf die 4, 5 und/oder 12 beschrieben gekoppelt werden. Obgleich das Linsenanordnungselement 100, 900 genau mit dem Wellenleiter 200 ausgerichtet ist, wird die Ausrichtung des Linsenanordnungselements mit der anderen optischen Einheit 400, 500 aufgrund der Verwendung der Linsenanordnung 102 wesentlich erleichtert. Wenn es sich bei der optischen Einheit, mit der der photonische Chip 200, 1000 gekoppelt ist, zum Beispiel um eine Faseranordnung handelt, wird die Linse-Faser-Ausrichtung durch einen Vergrößerungsfaktor vereinfacht. Für eine Vergrößerungslinse zum Beispiel, die eine fünffache Vergrößerung bereitstellt, beträgt die Ausrichtungstoleranz rund +/- 2,5 bis 3 µm im Gegensatz zu der Genauigkeit von 0,5 µm, die für eine Stirnflächenkopplung benötigt wird. Die Genauigkeit bei der Herstellung der Faseranordnung wird ebenso im Zusammenhang mit ähnlichen Toleranzen gelockert. Die Verwendung des optischen Doppellinsen-Kopplungssystems mit fast gebündeltem Licht zwischen den Linsen kann des Weiteren Ausrichtungstoleranzen von +/- 10 µm und mehr bereitstellen.
Obgleich die Verwendung nur eines einzelnen Substrats zur Herstellung des Kopplungselements 100, 900 mit einer Linsenanordnung beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, dass das Kopplungselement 100, 900 unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Substraten hergestellt werden kann, die aus demselben oder unterschiedlichen Materialien bestehen. Wie oben angegeben, kann es sich bei den Materialien um Glas, einen Halbleiter wie beispielsweise Silicium, ein Polymer oder eine Kombination davon handeln. Hier können die beiden Wafer entlang der Grenzfläche 1310 in den 13 bis 16 laminiert oder zusammengefügt werden und als das Substrat in Schritt 1702 bereitgestellt werden. Die Verwendung von zwei Wafern auf diese Weise kann die Oberflächenqualität des geätzten Überstands verbessern, da die Grenzfläche 1310 als ein Ätzstopp (z.B. ein Oxid) für die Herstellung des Überstands bei Schritt 1706 dienen kann. Dies führt zu einer glatten Oberfläche für eine optimale optische Verbindung. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene lithografische Strukturierung mit einer Bearbeitung im Wafer-Maßstab auf der oberen und unteren Fläche des Substrats kompatibel ist.
Nachdem bevorzugte Ausführungsformen in Bezug auf optische Kopplungen mit einer Linsenanordnung mit photonischen Chips beschrieben wurden (wobei die Ausführungsformen veranschaulichend und nicht einschränkend sein sollen), sei darauf hingewiesen, dass auf der Grundlage der vorstehenden Lehren Änderungen und Abwandlungen durch Fachleute vorgenommen werden können. Es versteht sich daher, dass Änderungen an den besonderen offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, die im Rahmen des Anwendungsbereichs der Erfindung liegen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist. Nachdem somit Aspekte der Erfindung mit den gemäß der Patentgesetzgebung erforderlichen Einzelheiten und Besonderheiten beschrieben wurden, wird in den beigefügten Ansprüchen das dargelegt, was beansprucht und durch Patenturkunde geschützt werden soll.

Claims

Photonische integrierte Schaltungsvorrichtung, aufweisend: einen photonischen Chip (200) mit einem Wellenleiter (202), der Aperturen an einer Seitenrandfläche des photonischen Chip aufweist; und ein Linsen-Array-Kopplungselement (100), das auf einer oberen Oberfläche des photonischen Chip und an der Seitenrandfläche angebracht ist, wobei das Kopplungselement ein Linsen- Array (102) aufweist, das so konfiguriert ist, dass es Punktgrößen von Licht ändert, das sich zu dem Wellenleiter hin oder von dem Wellenleiter weg bewegt, sowie einen Überstand (104) auf einer Seite des Kopplungselements, der der Linsenanordnung gegenüberliegt und der an die obere Oberfläche des photonischen Chip angrenzt, wobei der Überstand eine senkrechte Anschlagfläche (112) aufweist, die eine Tiefe aufweist, welche so konfiguriert ist, dass sie einen Rand des Wellenleiters mit einer Brennweite der Linsenanordnung waagrecht ausrichtet und Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters senkrecht ausrichtet, wobei der Überstand (104) weiterhin mindestens ein Referenzmerkmal (901) aufweist, das von der senkrechten Anschlagfläche (112) vorsteht und dessen Seitenflächen (906) nicht senkrecht auf dem Überstand stehen (908), wobei die obere Oberfläche des photonischen Chip weiterhin mindestens ein komplementäres Merkmal (1002) aufweist, das mit dem mindestens einen Referenzmerkmal ausgerichtet ist, und wobei die Merkmale so konfiguriert sind, dass sie eine Referenz für eine seitliche Ausrichtung zwischen den Brennpunkten der Linsenanordnung und dem Rand des Wellenleiters bereitstellen, und wobei das Linsen-Array-Kopplungselement (100) mindestens eine leitende Kontaktfläche aufweist, die auf einer dritten Fläche (116) angeordnet ist, welche sich über und normal zu der senkrechten Anschlagfläche (112) befindet, und wobei der photonische Chip (200) mindestens eine Kontaktfläche aufweist, die gegenüber der leitenden Kontaktfläche des Linsen-Array-Kopplungselement (100) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Überstand (104) eine zweite Fläche (114) mit einer Höhe aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie die senkrechte Ausrichtung mit den Brennpunkten und dem Rand des Wellenleiters bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine komplementäre Merkmal mindestens ein Schlitz (1002) ist, und wobei das mindestens eine Referenzmerkmal (901) in mindestens dem einen komplementären Merkmal angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Seitenflächen (906) des mindestens einen Referenzmerkmals angewinkelt sind, und so konfiguriert sind, um als Führungen für eine seitliche Ausrichtung zwischen den Brennpunkten der Linsenanordnung und dem Rand des Wellenleiters zu dienen.
Kopplungssystem einer photonischen integrierten Schaltung, aufweisend: einen photonischen Chip (200) mit einem Wellenleiter (202), der Aperturen an einer Seitenrandfläche des photonischen Chip aufweist; eine andere optische Einheit, die so konfiguriert ist, dass sie Licht von oder zu den Aperturen des Wellenleiters überträgt (500) oder empfängt (400); und ein Linsen-Array-Kopplungselement (100), das auf einer oberen Oberfläche des photonischen Chip und an der Seitenrandfläche angebracht ist, wobei das Kopplungselement ein Linsen-Array (102) aufweist, das so konfiguriert ist, dass es Punktgrößen von Licht ändert, das sich zwischen dem Wellenleiter und der anderen optischen Einheit bewegt, wobei das Kopplungselement weiterhin einen Überstand (104) auf einer Seite des Kopplungselements aufweist, der der Linsenanordnung gegenüberliegt und der an die obere Oberfläche des photonischen Chip angrenzt, wobei der Überstand eine senkrechte Anschlagfläche (112) aufweist, die eine Tiefe aufweist, welche so konfiguriert ist, dass sie einen Rand des Wellenleiters mit einer Brennweite der Linsenanordnung waagrecht ausrichtet und Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters senkrecht ausrichtet, wobei der Überstand (104) weiterhin mindestens ein Referenzmerkmal (901) aufweist, das von der senkrechten Anschlagfläche (112) und dessen Seitenflächen (906) nicht senkrecht auf dem Überstand stehen, wobei die obere Oberfläche des photonischen Chip weiterhin mindestens ein komplementäres Merkmal (1002) aufweist, das mit dem mindestens einen Referenzmerkmal ausgerichtet ist, und wobei die Merkmale so konfiguriert sind, dass sie eine Referenz für eine seitliche Ausrichtung zwischen den Brennpunkten der Linsenanordnung und dem Rand des Wellenleiters bereitstellen, und wobei das Linsen-Array-Kopplungselement (100) mindestens eine leitende Kontaktfläche aufweist, die auf einer dritten Fläche (116) angeordnet ist, welche sich über und normal zu der senkrechten Anschlagfläche (112) befindet, und wobei der photonische Chip (200) mindestens eine Kontaktfläche aufweist, die gegenüber der leitenden Kontaktfläche des Linsen-Array-Kopplungselement (100) ausgerichtet ist.
System nach Anspruch 5, wobei die andere optische Einheit ein zweiter photonischer Chip mit einem zweiten Wellenleiter, eine Faseranordnung oder eine Laser-Anordnung ist.
System nach Anspruch 6, wobei die andere optische Einheit eine zweite Linsenanordnung (1200) beinhaltet, die mit der Linsenanordnung des Kopplungselements ausgerichtet ist, so dass das Licht zwischen der zweiten Linsenanordnung und der Linsenanordnung des Kopplungselements gebündelt wird.
System nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine komplementäre Merkmal mindestens ein Schlitz (1002) ist, und wobei das mindestens eine Referenzmerkmal (901) in mindestens dem einen komplementären Merkmal angeordnet ist.
System nach Anspruch 8, wobei die Seitenflächen (906) des mindestens einen Referenzmerkmals angewinkelt und so konfiguriert sind, dass sie auf Rändern (1004) des mindestens einen komplementären Merkmals entlanggleiten, um als Führungen für eine seitliche Ausrichtung zwischen dem Brennpunkt der mindestens einen Linse und dem Rand des Wellenleiters zu dienen.
Kopplungseinheit (100) eines photonischen Chip, aufweisend: einen ersten Teil, der mindestens eine Linse (102) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie eine Punktgröße von Licht ändert, das sich zwischen einer optischen Einheit und einem Wellenleiter bewegt, der sich an der Seitenrandfläche eines photonischen Chip befindet und der Licht waagrecht lenkt; und einen zweiten Teil auf einer gegenüberliegenden Seite der Kopplungseinheit in Bezug auf den ersten Teil, wobei der zweite Teil einen Überstand (104) mit einer ersten Fläche (112) aufweist, die eine Tiefe aufweist, welche so konfiguriert ist, dass sie einen Rand des Wellenleiters mit einer Brennweite der mindestens einen Linse waagrecht ausrichtet, während die erste Fläche weiterhin so konfiguriert ist, dass sie an eine obere Oberfläche des photonischen Chip angrenzt und als ein senkrechter Anschlag dient, so dass der Überstand einen Brennpunkt der mindestens einen Linse mit dem Rand des Wellenleiters an der Seitenrandfläche des photonischen Chip senkrecht ausrichtet, wobei der Überstand (104) weiterhin mindestens ein Referenzmerkmal (901) aufweist, das von der ersten Fläche (112) vorsteht und dessen Seitenflächen (906) nicht senkrecht auf dem Überstand (104) stehen, weiterhin aufweisend mindestens eine leitende Kontaktfläche (602) ist, die auf einer dritten Fläche (116) angeordnet ist, welche sich über und normal zu der ersten Fläche (112) befindet.
Einheit nach Anspruch 10, wobei der Überstand (104) eine zweite Fläche (114) mit einer Höhe aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie die senkrechte Ausrichtung mit dem Brennpunkt und dem Rand des Wellenleiters bewirkt.
Einheit nach Anspruch 10, wobei das Referenzmerkmal (901) so konfiguriert ist, dass es eine Referenz für eine seitliche Ausrichtung zwischen dem Brennpunkt der mindestens einen Linse und dem Rand des Wellenleiters bereitstellt.
Einheit nach Anspruch 12, wobei sich das mindestens eine Referenzmerkmal auf der ersten Fläche (112) befindet und eine untere Fläche (904) aufweist, die eine Länge aufweist, welche der Tiefe der ersten Fläche entspricht.
Einheit nach Anspruch 12, wobei die Seitenflächen (906) des mindestens einen Referenzmerkmals (901) angewinkelt und so konfiguriert sind, dass sie als Führungen für eine seitliche Ausrichtung zwischen dem Brennpunkt der mindestens einen Linse und dem Rand des Wellenleiters dienen.
Verfahren zum Herstellen einer photonischen integrierten Schaltungsvorrichtung, aufweisend: Herstellen (1704) einer Linsenanordnung auf einer ersten Fläche eines Substrats; Ätzen (1706) eines Überstandes auf einer zweiten Fläche des Substrats, die der ersten Fläche des Substrats gegenüberliegt, wobei der Überstand eine senkrechte Anschlagfläche und eine Randanschlagfläche aufweist; Ausrichten (1709) der zweiten Fläche mit einer Seitenrandfläche eines photonischen Chip, indem die Tiefe der senkrechten Anschlagfläche genutzt wird, um einen Rand eines Wellenleiters, der Licht waagerecht zu oder von der Seitenrandfläche lenkt, mit einer Brennweite der Linsenanordnung waagrecht auszurichten, und indem die senkrechte Anschlagfläche genutzt wird, um Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters senkrecht auszurichten; und Verbinden (1710) des Überstandes mit dem photonischen Chip, so dass die senkrechte Anschlagfläche an eine obere Oberfläche des photonischen Chip angrenzt und die Randanschlagfläche an den Seitenrand des photonischen Chip angrenzt, Herstellen (1708) von mindestens einem Referenzmerkmal auf dem Überstand, das von der senkrechten Anschlagfläche (112) vorsteht und dessen Seitenflächen (906) nicht senkrecht auf dem Überstand stehen und wobei das Linsen-Array-Kopplungselement (100) mindestens eine leitende Kontaktfläche aufweist, die auf einer dritten Fläche (116) angeordnet ist, welche sich über und normal zu der ersten Fläche befindet, und wobei der photonische Chip mindestens eine Kontaktfläche aufweist, die gegenüber der leitenden Kontaktfläche des Linsen-Array-Kopplungselement (100) ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin aufweisend: Herstellen (1708) von mindestens einem komplementären Merkmal auf der oberen Oberfläche des photonischen Chip, wobei die Ausrichtung ein Verwenden der Merkmale als Referenzen für eine seitliche Ausrichtung zwischen den Brennpunkten der Linsenanordnung und dem Rand des Wellenleiters aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das mindestens eine komplementäre Merkmal mindestens ein Schlitz ist, und wobei das Ausrichten ein Anordnen des mindestens einen Referenzmerkmals in dem mindestens einen Schlitz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Herstellen des mindestens einen Referenzmerkmals ein Bilden von angewinkelten Seiten auf dem mindestens einen Referenzmerkmal aufweist, und wobei das Ausrichten ein Entlanggleiten der angewinkelten Seiten auf Rändern des mindestens einen komplementären Merkmals aufweist, um die Brennpunkte der Linsenanordnung mit dem Rand des Wellenleiters seitlich auszurichten.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin aufweisend: Bereitstellen (1702) des Substrats, indem zwei Wafer so zusammengefügt werden, dass eine Grenzfläche zwischen den beiden Wafern einen Ätzstopp für das Ätzen darstellt.