DE10065563A1 - Process for the production of polymer films with integrated optical waveguides - Google Patents
Process for the production of polymer films with integrated optical waveguidesInfo
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Abstract
Description
Polymere optische Wellenleiter bieten in der optischen Ver bindungstechnik neben der Steigerung der Datenübertragungsra te und der Zuverlässigkeit insbesondere den Vorteil einer ho hen Flexibilität. Anwendungsfelder sind die Bereiche der Te lekommunikation, in denen hauptsächlich Singlemode- Wellenleiter bei den Wellenlängen 1300 nm und 1550 nm verwen det werden, wie auch die Bereiche der Datenkommunikation, in denen Multimode-Wellenleiter bei den Wellenlängen 650 nm bis 980 nm favorisiert werden.Polymer optical waveguides offer in optical ver Binding technology in addition to increasing the data transmission space te and the reliability in particular the advantage of a ho hen flexibility. Fields of application are the areas of Te communications in which mainly single-mode Use waveguides at the wavelengths 1300 nm and 1550 nm be, like the areas of data communication, in which multimode waveguides at the wavelengths 650 nm to 980 nm can be favored.
Um polymere optische Wellenleiter herzustellen, wurde bereits unterschiedliche Verfahren entwickelt. Die meisten dieser Me thoden basieren auf fotoinduzierten Veränderungen des Bre chungsindexes oder auf reaktiven Ionenätzprozessen. Bei einem weiteren als "Zweischritt Heißprägeverfahren" bezeichneten Verfahren zur Herstellung von Polymerfolien mit integrierten optischen Wellenleitern wird von einem Prägewerkzeug ausge gangen, in welches mehrere U-förmige Wellenleitergräben ein gebracht sind. In einem ersten Schritt wird dann eine hoch transparente Thermoplastfolie auf das Prägewerkzeug aufge legt, worauf in einem zweiten Schritt die Thermoplastfolie mit Hilfe eines geheizten Prägestempels in die Wellenleiter gräben gedrückt wird. Da die Wellenleitergräben eine exakte negative Kopie der späteren Wellenleiter darstellen, werden in diesem Schritt alle Wellenleiter geformt. In dem anschlie ßenden dritten Schritt wird eine Substratfolie auf die Wel lenleiter auflaminiert, die sich bei diesem Vorgang immer noch in den Wellenleitergräben des Prägewerkzeugs befinden. In einem nun folgenden vierten Schritt werden die Wellenlei ter aus dem Prägewerkzeug entformt, worauf in einem abschlie ßenden fünften Schritt ein Overcladding auf die Wellenleiter und die Substratfolie aufgebracht wird. To manufacture polymeric optical waveguides has already been done developed different processes. Most of these me methods are based on photo-induced changes in the bre indexes or on reactive ion etching processes. At a further referred to as "two-step hot stamping process" Process for the production of polymer films with integrated optical waveguides are emitted from an embossing tool went into which several U-shaped waveguide trenches are brought. In a first step, one becomes high transparent thermoplastic film applied to the embossing tool in a second step the thermoplastic film with the help of a heated stamp in the waveguide digging is pressed. Because the waveguide trenches are exact represent a negative copy of the later waveguides all waveguides formed in this step. In the subsequent The third step is a substrate film on the wel laminated conductor, which is always in this process are still in the waveguide trenches of the embossing tool. In a fourth step that follows, the waveguide is demolded from the embossing tool, whereupon it concludes The fifth step is overcladding on the waveguide and the substrate film is applied.
Weitere Einzelheiten des vorstehend beschriebenen sogenannten
"Zweischritt Heißprägeverfahrens" gehen aus den folgenden Li
teraturstellen hervor:
Further details of the so-called "two-step hot stamping process" described above can be found in the following literature sections:
- - A. Neyer: Polymere Lichtwellenleiter für die optische Verbindungstechnik. Tagungsband 3. Workshop "Optik in der Rechentechnik", S. 95-103, Paderborn, 1998.- A. Neyer: Polymer optical fibers for optical Connection technology. Conference volume 3rd workshop "Optik in der Computing technology ", pp. 95-103, Paderborn, 1998.
- - S. Lehmacher, J. Jankowski, C. Vavitsas, A. Neyer: Inte gration von polymeren Multimode Wellenleitern in konventi onelle Multilayer Platinen. Tagungsband 4. Workshop "Optik in der Rechentechnik", S. 31-33, Jena, 1999.- S. Lehmacher, J. Jankowski, C. Vavitsas, A. Neyer: Inte Gration of polymeric multimode waveguides in conventional onelle multilayer boards. Conference proceedings 4th workshop "Optik in computing technology ", pp. 31-33, Jena, 1999.
- - S. Lehmacher, A. Neyer: Integration of polymer optical wa veguides into printed circuit boards. "ELECTRONIC LET TERS", 8th June 2000, Vol. 36, No. 12, S. 1052, 1053- S. Lehmacher, A. Neyer: Integration of polymer optical wa veguides into printed circuit boards. "ELECTRONIC LET TERS", 8 th June 2000, Vol. 36, No. 12, pp. 1052, 1053
Im zweiten Prozessschritt des sogenannten "Zweischritt Heiß prägeverfahrens" muss die Stärke der zwischen Prägestempel und Prägewerkzeug verbleibenden Restschicht der Thermoplast folie verschwindend gering sein, damit zum einen die Dämpfung der optischen Wellenleiter gering ist und damit zum anderen kein Übersprechen zwischen benachbarten Wellenleitern statt findet. Diese geringe Stärke der Restschicht führt jedoch in Verbindung mit dem sich nach dem Heißprägen durch Abkühlung einstellenden Schrumpfungsprozess zu einer Bildung von Blä schen in den Wellenleitern. Als Folge dieser Bläschenbildung ergibt sich dann eine erhöhte optische Dämpfung.In the second process step of the so-called "two-step hot embossing process "must be the strength of the embossing stamp and embossing tool remaining residual layer of the thermoplastic film be vanishingly low, so that the damping the optical waveguide is small and therefore the other no crosstalk between adjacent waveguides takes place place. However, this low thickness of the residual layer leads to Connection with the after hot stamping by cooling adjusting shrinkage process to form blä in the waveguides. As a result of this blistering then there is an increased optical attenuation.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfolien mit integrierten optischen Wellenleitern zu schaffen, bei welchem eine geringe optische Dämpfung gewährleistet ist und bei wel chem insbesondere beim Schrumpfungsprozess nach dem Heißprä gen eine Bläschenbildung in den Wellenleitern vermieden wird. The invention specified in claim 1 is the problem is based on a method for producing polymer films to create integrated optical waveguides, in which a low optical attenuation is guaranteed and at wel chem especially in the shrinking process after hot stamping formation of bubbles in the waveguides is avoided.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das bewusste Verbleiben einer mindestens 3 µm starken Restschicht der Thermoplastfolie zwischen Prägestempel und Prägewerkzeug eine Bläschenbildung beim Schrumpfungsprozess nach dem Heiß prägen vermieden werden kann. Da diese Restschicht jedoch selbst zu einer erhöhten optischen Dämpfung und zu einem Ü bersprechen zwischen benachbarten Wellenleitern führen würde, wird sie nach dem Heißprägen entfernt, wobei die durch diesen Verfahrensschritt verursachte Rauigkeit an der freiliegenden Seite der Wellenleiter durch eine Erwärmung der Wellenleiter über ihren Schmelzpunkt wieder geglättet werden kann.The invention is based on the finding that deliberate remaining at least 3 µm thick residual layer the thermoplastic film between the stamp and the stamping tool a bubble formation during the shrinking process after hot embossing can be avoided. As this residual layer, however even an increased optical attenuation and a Ü cross talk between adjacent waveguides, it is removed after hot stamping, the through this Process step caused roughness on the exposed Side of the waveguide by heating the waveguide can be smoothed over its melting point again.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Ansprüchen 2 bis 9 hervor.Advantageous embodiments of the method according to the invention emerge from claims 2 to 9.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht mit einer min destens 5 µm starken Restschicht eine sichere Beherrschung des Prägeprozesses, wobei gleichzeitig eine absolut sichere Unterdrückung der Bläschenbildung beim Schrumpfungsprozess gewährleistet ist.The embodiment according to claim 2 allows with a min at least 5 µm thick residual layer a safe mastery of the embossing process, while at the same time being absolutely safe Suppression of blistering during the shrinking process is guaranteed.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht durch eine höchstens 10 µm starke Restschicht ein rasches Abtragen die ser Restschicht.The embodiment according to claim 3 enables by a residual layer of at most 10 µm in thickness can be removed quickly this remaining layer.
Die Weiterbildung nach Anspruch 4 gewährleistet durch die be währte Laserabtragstechnik eine rasche und zuverlässige Ent fernung der Restschicht, wobei gemäß Anspruch 5 der Einsatz von UV-Lasern bevorzugt wird. Dabei hat sich gemäß Anspruch 6 ein Einsatz von Excimer-Lasern besonders gut bewährt.The training according to claim 4 guaranteed by the be laser ablation technology was a quick and reliable solution removal of the remaining layer, wherein according to claim 5, the use is preferred by UV lasers. According to claim 6 the use of excimer lasers has proven particularly good.
Als Alternative zum Laserabtrag kann das Abtragen der Rest schicht mit sehr guten Ergebnissen aber auch gemäß Anspruch 7 durch Plasmaätzen oder gemäß Anspruch 8 durch Ionenätzen vor genommen werden. As an alternative to laser ablation, the rest can be removed layer with very good results but also according to claim 7 by plasma etching or according to claim 8 by ion etching be taken.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 9 gewährleistet eine voll ständige Entfernung der Restschicht und damit eine absolut sichere Trennung der einzelnen Wellenleiter ohne die Gefahr eines Übersprechens zwischen benachbarten Wellenleitern.The embodiment according to claim 9 ensures a full constant removal of the remaining layer and thus an absolute safe separation of the individual waveguides without the danger crosstalk between adjacent waveguides.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing shown and is described in more detail below.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen verschiedene Verfahrensstadien bei der Herstellung von Polymerfolien mit integrierten optischen Wellenleitern. Figs. 1 to 5 show various stages of the procedure in the preparation of polymer films with integrated optical waveguides.
Gemäß Fig. 1 wird von eine Heißprägevorrichtung ausgegangen, welche aus einem Prägewerkzeug PW und einem darüber angeord neten, beheizbaren Prägestempel PS besteht. In das Prägewerk zeug PW sind mehrere U-förmige Wellenleitergräben WG einge bracht, welche eine exakte negative Kopie der späteren Wel lenleiter darstellen.Referring to FIG. 1 starting from a hot stamping apparatus, and an about Neten angeord, heatable embossing dies PS consists of an embossing tool PW. In the embossing tool PW several U-shaped waveguide trenches WG are introduced, which represent an exact negative copy of the later wave guide.
In einem ersten Schritt wird nun eine hochtransparente Ther moplastfolie TF auf das Prägewerkzeug PW aufgelegt. Anschlie ßend wird der geheizte Prägestempel PS in Richtung der Pfeile PF nach unten bewegt, so wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist.In a first step, a highly transparent TF thermoplastic film is placed on the embossing tool PW. The heated embossing die PS is then moved downward in the direction of the arrows PF, as can be seen in FIG. 1.
In einem anschließenden zweiten Schritt wird dann gemäß Fig. 2 der geheizte Prägestempel PS weiter in Richtung der Pfeile PF bewegt, so dass die Thermpolastfolie TF unter hohem Druck und hoher Temperatur in die Wellenleitergräben WG des Präge werkzeuges PW gedrückt wird. Dabei werden in den Wellenlei tergräben WG aus dem Material der Thermoplastfolie TF Wellen leiter WL geformt. Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, dass bei diesem Heißprägevorgang eine Restschicht RS der Thermoplast folie TF zwischen Prägestempel PS und Prägewerkzeug PW ver bleibt. Die Restschicht RS soll mindestens 3 µm stark sein. Vorzugsweise soll die Restschicht RS eine Stärke zwischen 5 µm und 10 µm aufweisen, wobei diese Stärke durch eine ent sprechende Wahl der Stärke der Thermoplastfolie TF, der Temperatur und des Drucks beim Heißprägevorgang bestimmt wird. Es ist aber auch möglich, die Stärke der Restschicht RS durch eine Hubbegrenzung des Prägestempels PS, zum Beispiel mit Hilfe geeigneter Anschläge festzulegen.In a subsequent second step is then shown in FIG. The heated die PS 2 moves further in the direction of the arrows PF, so that the Thermpolastfolie TF under high pressure and high temperature in the waveguide WG trenches is pressed the stamping tool PW. Thereby, waveguides WL are formed in the waveguide trenches WG from the material of the thermoplastic film TF. From Fig. 2 it can also be seen that during this hot stamping process, a residual layer RS of the thermoplastic film TF remains between stamping die PS and stamping tool PW. The residual layer RS should be at least 3 µm thick. The residual layer RS should preferably have a thickness between 5 μm and 10 μm, this thickness being determined by a corresponding choice of the thickness of the thermoplastic film TF, the temperature and the pressure during the hot stamping process. However, it is also possible to determine the thickness of the residual layer RS by limiting the stroke of the stamping die PS, for example with the aid of suitable stops.
In dem anschließenden dritten Schritt wird dann gemäß Fig. 3 die Restschicht RS der Thermoplastfolie TF mit Hilfe des La serstrahls LS eines nicht näher dargestellten Excimer-Lasers abgetragen. Aus Fig. 3 ist auch ersichtlich, dass beim Ab tragen der Restschicht RS der Thermoplastfolie TF auch eine dünne Schicht S der Wellenleiter WL in den Wellenleitergräben WG abgetragen wird.In the subsequent third step, the residual layer RS of the thermoplastic film TF is then removed according to FIG. 3 with the aid of the laser beam LS of an excimer laser, not shown in any more detail. From Fig. 3 it is also seen that when the residual layer from RS carry the thermoplastic film TF, a thin layer S of the waveguides WL is removed in the waveguide trenches WG.
In einem vierten aus der Zeichnung nicht erkennbaren Schritt wird dann die durch die Laserabtragung der Restschicht RS verursachte Rauigkeit an der freiliegenden Seite der Wellen leiter WL durch eine Erwärmung der Wellenleiter WL über den Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials wieder geglät tet.In a fourth step that cannot be recognized from the drawing is then by the laser ablation of the residual layer RS caused roughness on the exposed side of the waves conductor WL by heating the waveguide WL over the Melting point of the thermoplastic material smoothed again tet.
In dem nun folgenden, aus Fig. 4 ersichtlichen fünften Schritt, wird eine Substratfolie SF auf die Wellenleiter WL auflaminiert. Dieses Auflaminieren erfolgt unter Anwendung von Druck und Wärme mit Hilfe des geheizten Prägestempels PS, der in Richtung der Pfeile PF gegen die Substratfolie SF ge drückt wird.In the fifth step, which follows from FIG. 4, a substrate film SF is laminated onto the waveguide WL. This lamination is carried out using pressure and heat with the help of the heated embossing stamp PS, which is pressed in the direction of the arrows PF against the substrate film SF.
In dem anschließenden aus der Zeichnung ebenfalls nicht er kennbaren sechsten Schritt erfolgt die Entformung, das heißt, die mit der Substratfolie SF verbundenen Wellenleiter WL wer den aus den Wellenleitergräben WG des Prägewerkzeugs PW ent fernt.In the following from the drawing, neither did he identifiable sixth step the demolding takes place, that is, the waveguide WL connected to the substrate film SF from the waveguide trenches WG of the embossing tool PW removed.
In einem abschließenden, aus Fig. 5 ersichtlichen siebten Schritt wird ein Overcladding OC auf die Wellenleiter WL und die Substratfolie SF aufgebracht. Im Gegensatz zu der Darstellung gemäß Fig. 4 sind bei der Darstellung gemäß Fig. 5 die Wellenleiter WL und die Substratfolie SF um 180° gedreht.In a concluding, from Fig. 5 apparent seventh step, an overcladding OC to the waveguide WL and the substrate film SF is applied. In contrast to the illustration according to FIG. 4, the waveguide WL and the substrate foil SF are rotated through 180 ° in the illustration according to FIG. 5.
In dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel wird beim Heißprägen und beim Auflaminieren des Substratfolie SF der geheizte Prägestempel PS gegen das fest angeordnete Präge werkzeug PW bewegt. Da es bei diesen Vorgängen nur auf die Relativbewegungen zwischen dem Prägestempel PS und Prägewerk zeug PW ankommt, ist es selbstverständlich auch möglich, das Prägewerkzeug PW gegen einen fest angeordneten Prägestempel PS zu bewegen.In the above-described embodiment, the Hot stamping and when laminating the substrate film SF heated stamping dies PS against the fixed embossing tool PW moves. Since these operations only affect the Relative movements between the PS stamp and the stamping unit If PW arrives, it is of course also possible that Stamping tool PW against a fixed stamp To move PS.
Bei dem anhand der Fig. 1 bis 5 geschilderten Ausführungs beispiel wurde eine 125 µm starke, hochtransparente Thermo plastfolie TF aus Polycarbonat mit einem Brechungsindex von 1,58 verwendet. Als Substratfolie SF wurde eine ca. 500 µm starke Folie aus einem Cycloolephincopolymer mit einem Bre chungsindex von 1,53 verwendet. Als Overcladding OC wurde ein temperaturhärtender optischer Zweikomponenten-Kleber auf Epo xidbasis mit einem Brechungsindex von 1,56 verwendet.In the embodiment described with reference to FIGS . 1 to 5, a 125 μm thick, highly transparent thermoplastic film TF made of polycarbonate with a refractive index of 1.58 was used. An approximately 500 μm thick film made of a cycloolephine copolymer with a refractive index of 1.53 was used as the substrate film SF. A temperature-curing optical two-component adhesive based on epoxy with a refractive index of 1.56 was used as overcladding OC.
Die gemäß Fig. 5 in eine aus Substratfolie SF und Overclad ding OC bestehende Polymerfolie integrierten optischen Wel lenleiter WL weisen einen quadratischen Querschnitt von 125 µm × 125 µm auf, während der Pitch, das heißt der Abstand von Mittellinie zu Mittellinie 250 µm betragt. Die Gesamtabmes sungen der Polymerfolie können 50 cm × 50 cm oder sogar noch mehr betragen, wobei in diesem Fall mehrere hundert Wellen leiter WL in die Polymerfolie integriert sein können.The 5 integrated into an existing from the substrate film SF and overclad ding OC polymer film optical Wel lenleiter WL shown in FIG. Have a square cross section of 125 microns x 125 microns, while the pitch, i.e. the distance from center line to center line 250 amounts microns. The overall dimensions of the polymer film can be 50 cm × 50 cm or even more, in which case several hundred waveguides WL can be integrated into the polymer film.
Claims (9)
- - Auflegen einer hochtransparenten Thermoplastfolie (TF) auf ein Prägewerkzeug (PW) mit Wellenleitergräben (WG);
- - Eindrücken der Thermoplastfolie (TF) in die Wellenleiter gräben (WG) mit Hilfe eines geheizten Prägestempels (PS), derart, dass eine mindestens 3 µm starke Restschicht (RS) zwischen Prägestempel (PS) und Prägewerkzeug (PW) verbleibt;
- - Abtragen der Restschicht (RS) der Thermoplastfolie (LV)
- - Glätten der Oberfläche der Wellenleiter (WL) in den Wellen leitergräben (WG) durch Erwärmung über den Schmelzpunkt;
- - Auflaminieren einer Substratfolie (SF) auf die Wellenleiter (WL);
- - Entformung;
- - Aufbringen eines Overcladding (OC) auf die Wellenleiter (WL).
- - Placing a highly transparent thermoplastic film (TF) on an embossing tool (PW) with waveguide trenches (WG);
- - Press the thermoplastic film (TF) into the waveguide trench (WG) with the help of a heated stamp (PS) in such a way that an at least 3 µm thick residual layer (RS) remains between the stamp (PS) and the stamping tool (PW);
- - Removing the remaining layer (RS) of the thermoplastic film (LV)
- - Smoothing the surface of the waveguide (WL) in the waveguide trenches (WG) by heating above the melting point;
- - Laminating a substrate film (SF) on the waveguide (WL);
- - demolding;
- - Applying an overcladding (OC) to the waveguide (WL).
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