DE102007038642B4

DE102007038642B4 - Verfahren zum Herstellen eines sich entlang eines vorgegebenen Wellenleiterpfads erstreckenden Wellenleiters für ein Lichtsignal einer vorgegebenen Signalwellenlänge und Wellenleitbauteil

Info

Publication number: DE102007038642B4
Application number: DE200710038642
Authority: DE
Inventors: Erik Dr. 38102 Benkler
Original assignee: BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTR DURCH D BUNDESMINISTERIUM F WIRTSCHAFT und TECHNOLOGIE DIESESVERTRETEN DURCH D PRAESIDENTEN D PHYSIKALISCH-TECHNISCHEN BUNDESANSTALT; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTR DURCH D BUNDESMINISTERIUM F WIRTSCHAFT und TECHNOLOGIE DIESESVERTRETEN DURCH D PRAESIDENTEN D PHYSIKALISCH-TECHNISCHEN BUNDESANSTALT; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2027-08-16
Also published as: DE102007038642A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines sich entlang eines vorgegebenen Wellenleiterpfads erstreckenden Wellenleiters (20) für ein Lichtsignal (24) einer vorgegebenen Signalwellenlänge (λSignal), mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines organischen Materials, (i) das einen Brechungsindex (n) besitzt und (ii) in dem durch Bestrahlen mit linear polarisiertem Licht (34) einer Schreibwellenlänge ( ), durch einen Mehrphotonenprozess eine optische Anisotropie induzierbar ist, und (b) Bestrahlen des organischen Materials mit einem Schreib-Lichtfeld, das (i) auf einen Fokusbereich (36) fokussiert ist, (ii) in einer Polarisationsrichtung linear polarisiert ist und (iii) eine Wellenlänge besitzt, die der Schreibwellenlänge ( ) entspricht, (iv) so dass sich der Brechungsindex (n) des organischen Materials in einer Weise erhöht, dass eine Hauptachse des Brechungsindextensors (n), die zu einem kleinsten Hauptachsenwert korrespondiert, tangential zum Wellenleiterpfad verläuft und sich eine einachsig-negative Doppelbrechung im beschichteten Bereich des organischen Material einstellt, (c) so dass sich der Brechungsindex (n) des organischen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines sich entlang eines vorgegebenen Wellenleiterpfads erstreckenden Wellenleiters für ein Lichtsignal einer vorgegebenen Signalwellenlänge. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Wellenleitbauteil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13.
Ein derartiges Wellenleitbauteil ist beispielsweise aus dem Aufsatz „Photowritten optical waveguides in various glasses with ultrashort pulse laser” von K. Miura et al., Appl. Phys. Lett 71 (23), 8. Dezember 1997, bekannt. Dort ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein kollimierter Laserstrahl in das Innere eines Glasblocks fokussiert wird, sodass ein Schädigungspunkt in dem Glasblock erzeugt wird. Durch sukzessives Verschieben des Laserstrahls wird eine Vielzahl solcher Schädigungspunkte erzeugt, die gemeinsam einen Wellenleiter in dem Glasblock bilden. Nachteilig an dem dort beschriebenen Verfahren ist, dass ein Wellenleitbauteil erhalten wird, das aus Glas besteht und daher inelastisch, spröde und aufwendig in der Bearbeitung ist. Ein weiterer Nachteil der Wellenleiter in Glas ist, dass das Glas nicht in einfacher Weise mit anderen Materialien, die oft auch noch eine Oberflächenstruktur aufweisen, kombiniert werden können.
Aus dem Aufsatz „An azobenzene functionalized polymer for laser direct writing waveguide fabrication” von Liu et al., Optics communications 273 (2007), S. 94–98, ist zudem bekannt, in einen dünnen Film aus Polymer einen Wellenleiterpfad zu schreiben. Nachteilig hieran ist, dass auf Grund des dünnen Films nur sich entlang eines zweidimensional verlaufenden Wellenleiterpfads erstreckende Wellenleiter herstellbar sind.
Aus dem Aufsatz „Femtosecond Direct-Write Waveguide Fabrication in Optical Materials by Zoubir et al, Proceedings of SPIE Vol. 5063 Fourth International Symposium an Laser Precision Microfabrication” edited by Isamu Miyamoto, Andreas Ostendorf, Koji Sugioka, Henry Helvajian, (SPIE, Bellingham, WA, 2003) ist bekannt, in undotiertem Polymetylmetacrylat durch Femtosekundenlaserpulse den Brechungsindex isotrop zu verändern. Nachteilig hieran ist, dass nur kleine Änderungen im Brechungsindex möglich sind.
Aus dem Aufsatz „Photoinduced birefringence of azodye-doped materials by a femtosecond laser by Si et al, APPLIED OPTICS/Vol. 42, No. 36/20. Dezember 2003, ist bekannt, mit Azofarbstoffen dotieres Poymetylmetacrylat mit polarisiertem Laserlicht zu bestahlen, um einen dreidimensionalen optischen Datenspeicher zu erzeugen. Diese Technik ist auch aus dem Aufsatz „Two-photon induced anisotropy in PMMA film doped with Disperse Red 13” von Mendoça et al. Optics Communication 273 (2007) 435–440, bekannt.
Aus dem Artikel Holographic volume gratings in bulk perylene-orange-doped hybrid inorganic-organic materials by the coherent field of a femtosecond laser” by Qian et al, APPLIED PHYSIC LETTERS, Vol. 83, Nr. 12 vom 22. September 2003, ist bekannt, ein holographisches Verfahren zu benutzten, um in einem dotierten anorganischem Material mittels femtosekundenlasern eine Struktur zu erzeugen.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass keine effektive Möglichkeit bereit gestellt wird, einen Wellenleiter effizient herzustellen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Wellenleitern in organischen Materialien zu verbessern.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Wellenleitbauteil gemäß Anspruch 13.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass kostengünstige organische Materialien verwendet werden können, sodass ein preiswertes Wellenleitbauteil herstellbar ist. Das entstandene Wellenleitbauteil ist zudem einfach bearbeitbar und kann so beispielsweise schnell für einen nachfolgenden Einsatz spanend bearbeitet werden. Das organische Material, beispielsweise ein Polymer, kann auch ein aushärtendes Harz sein. Dieses kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Substrat in Form einer beliebig strukturierten Oberfläche gegossen werden und somit auch mit komplexen Strukturen, wie sie beispielsweise in Halbleiterchips vorliegen, kombiniert werden.
Vorteilhaft ist zudem, dass beliebige Wellenleiterpfade, die sich auch dreidimensional erstrecken können, in dem Wellenleitbauteil ausgebildet werden können. Dies erlaubt insbesondere, dass Wellenleiter übersprecharm bzw. -frei aneinander vorbeigeführt werden können, was im zweidimensionalen Fall unmöglich ist.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass als organisches Material ein solches Material verwendet werden kann, das durch Bestrahlen mit einem nicht oder zirkular polarisierten Schreib-Lichtfeld die optische Anisotropie wieder verliert, so dass einmal geschriebene Wellenleiter gelöscht und durch neue Wellenleiter ersetzt werden können. Zum Löschen des Wellenleiters genügt es, dass der Polarisationszustand im zeitlichen Mittel von beispielsweise mehr als einer Millisekunde isotrop ist.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird auf Grund der Anisotropie des Brechungsindexes der Brechungsindextensor zur Beschreibung herangezogen. Die Symmetrie dieses Tensors zweiter Stufe ist stets rotationssymmetrisch um eine Achse in Richtung des elektrischen Feldvektors des linear polarisierten Schreib-Lichtfeldes. Der zu dieser Symmetrieachse gehörende Hauptachsenwert (Eigenwert) wird mit n_parallel bezeichnet. Die beiden anderen Hauptachsenwerte (Eigenwerte) werden mit n_senkrecht1 und n_senkrecht2 bezeichnet. Der Brechungsindex in der isotropen Umgebung des Wellenleiters wird mit n_isotrop bezeichnet. Es gilt stets n_parallel < n_isotrop < n_senkrecht1 = n_senkrecht2. Damit besitzt die induzierte Anisotropie des Brechungsindexes im Fokusbereich die gleichen Eigenschaften wie bei einem uniaxialen Kristall mit negativer Doppelbrechung. In einem optisch anisotropen Medium wirkt auf ein Lichtsignal immer ein effektiver Brechungsindex, der von der Orientierung des elektrischen Feldvektors (E →) des Lichtsignals relativ zur Orientierung der Hauptachsen des Brechungsindextensors und damit von der Polarisation und der Ausbreitungsrichtung des Lichtfeldes abhängt. Dafür, dass sich der effektive Brechungsindex für mindestens eine Polarisationsrichtung des Lichtsignals erhöht, ist es möglich, nicht aber notwendig, dass die zum kleinsten Hauptachsenwert (Eigenwert) n_parallel gehörende Hauptachse des Brechungsindextensors tangential zum Wellenleiter verläuft. Relevant ist nur, dass das Lichtsignal einen solchen effektiven Brechungsindex erfährt, dass zumindest ein Anteil des Lichtsignals mit einer bestimmten Polarisation durch Totalreflexion entlang des Wellenleiterpfads geführt wird.
Unter einem Mehrphotonenprozess werden insbesondere quantenphysikalische Prozesse verstanden, an denen pro Absorptionsprozess mehr als ein Photon beteiligt ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Materialien, in denen durch Zwei-, Drei- oder Vierphotonenprozesse eine optische Anisotropie in Form einer Brechungsindexerhöhung in zumindest einer Raumrichtung induzierbar ist.
Es ist möglich, das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach an dem gleichen Körper aus organischem Material durchzuführen, so dass mehrere Wellenleiter entstehen, die einander kreuzen können, nicht aber müssen. Es ist zudem möglich, dass zumindest zwei Wellenleiter auf dreidimensionale Weise so zueinander angeordnet sind, dass sie in einer Projektion auf eine gemeinsame Ebene einander kreuzen würden, im Dreidimensionalen jedoch keinen Kreuzungspunkt aufweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, eine komplexe Vielzahl von Wellenleitern auf einfache Weise in einem ausgedehnten Körper aus dem organischen Material auszubilden.
Geeignete Signalwellenlängen können im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich liegen, also beispielsweise zwischen 400 nm und 1700 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein organisches Material bereitgestellt, das eine Vielzahl an Schreibwellenlängen besitzt, die eine Mehrphotonenabsorptionsbande bilden. Besonders bevorzugt wird ein organisches Material bereitgestellt, das bei der Signalwellenlänge keine Einphotonen-Absorptionsbande besitzt. Das organische Material besitzt insbesondere dann keine Einphotonen-Absorptionsbande, wenn die durch Einphotonenabsorption bedingte Dämpfung in dem organischen Material kleiner ist als 1 dB/cm. Eine Einphotonen-Absorptionsbande liegt also insbesondere dann nicht vor, wenn die Absorption eines Lichtsignals auf Grund eines Einphotonenprozesses so gering ist, dass das Wellenleitbauteil nicht auf Grund zu starker Absorption unbrauchbar ist.
Das Verfahren umfasst den Schritt eines Bestrahlens des organischen Materials mit dem Schreib-Lichtfeld so, dass sich der Brechungsindex des organischen Materials in einer Weise erhöht, dass eine zu einem kleinsten Hauptachsenwert (Eigenwert) gehörige Hauptachse des Brechungsindex tangential zum Wellenleiterpfad verläuft. In diesem Fall entspricht der effektive Brechungsindex für beliebig polarisiertes Licht, das entlang des Wellenleiterpfads propagiert, einem größeren Hauptachsenwert (Eigenwert) des Brechungsindextensors. Die Ausbreitungsrichtung, in der das organische Material den höchsten Brechungsindex hat, ist dann die Richtung der Tangente an den Wellenleiterpfad.
Bevorzugt umfasst das Bestrahlen mit dem Schreib-Lichtfeld ein Bestrahlen mit einem Schreib-Lichtstrahl, insbesondere einem Laserstrahl, wobei der Schreib-Lichtstrahl so geführt bzw. bewegt wird, dass sich der Fokusbereich entlang des Wellenleiterpfads bewegt. Das Merkmal, dass der Schreib-Lichtstrahl entsprechend geführt wird, kann bedeuten, dass ein Grundkörper aus dem organischen Material in dem der Wellenleiter ausgebildet werden soll, relativ zu einer Linsenanordnung für den Schreib-Lichtstrahl bewegt wird. Eine Führung im engeren Sinne ist jedoch nicht notwendig, viel mehr kann der Schreib-Lichtstrahl auch dadurch geführt werden, dass er beispielsweise durch Spiegel abgelenkt wird.
Besonders bevorzugt wird der Schreib-Lichtstrahl so geführt, dass der elektrische Feldvektor (E →) des Schreib-Lichtstrahls im Fokusbereich stets im Wesentlichen tangential zu dem Wellenleiterpfad im Fokusbereich verläuft. Vorteilhaft hieran ist, dass der effektive Brechungsindex für ein entlang des Wellenleiterpfads propagierendes Lichtsignal unabhängig von der Polarisation des Lichtsignals ist.
Bevorzugt wird als organisches Material ein Polymer bereitgestellt, wobei das Polymer beispielsweise ein flüssigkristallines Seitenkettenpolymer ist. Derartige Seitenkettenpolymere können besonders effektiv mit polarisiertem Licht zum Ausbilden einer optischen Anisotropie gebracht werden. Günstig ist zudem, wenn das organische Material Farbstoffmoleküle umfasst. Unter einem Polymer wird auch ein Polymergemisch oder ein Polymere enthaltenes Gemisch verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als organisches Material ein festes Polymer, insbesondere ein selbstständig formstabiles Polymer bereitgestellt. Unter einem festen Polymer wird ein Polymer verstanden, das nicht fließfähig ist. Ein derartiges Polymer kann auch als dünner Polymerfilm vorliegen. Unter dem Bereitstellen eines selbstständig formstabilen Polymers wird insbesondere verstanden, dass ein Körper aus Polymer bereitgestellt wird, der auch ohne auf einem Substrat angeordnet zu sein, seine Form behält. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass das selbstständig formstabile Polymer einen starren Körper bildet. Das selbstständig formstabile Polymer kann beispielsweise auch gallertartig sein. Maßgeblich ist, dass der selbstständig formstabile Körper aus dem organischen Material von einem Substrat auf ein anderes Substrat umsetzbar ist, ohne zerstört zu werden bzw. sich inversibel plastisch zu verformen.
Bevorzugt wird das organische Material in Form eines Körpers bereitgestellt, der in allen drei Dimensionen eine Abmessung aufweist, die groß ist gegenüber einem Durchmesser des Wellenleiters. Beispielsweise wird ein Körper bereitgestellt, dessen Abmessungen in jeder Raumrichtung größer sind als das Hundertfache des Durchmessers des Wellenleiters. Beispielsweise überschreitet der Körper in jeder Raumrichtung 0,5 mm.
In einem bevorzugten Verfahren umfasst das Bestrahlen ein holographisches Bestrahlen. Besonders bevorzugt wird das holographische Bestrahlen unter der Verwendung zweier Hologramme durchgeführt, die auf gegenseitig senkrecht zueinander stehende Polarisationsrichtungen des Schreib-Lichtfelds wirken. Durch selektives Belichten der Hologramme können so in dem organischen Material ausgedehnte Fokusbereiche erzeugt werden, in denen vorbestimmte Polarisationsrichtungen vorliegen. Auf diese Weise können komplexe Strukturen für die Wellenleiter in einem Belichtungsschritt in das organische Material eingebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erhöhens der Temperatur des organischen Materials bei oder nach dem Bestrahlen. Insbesondere wird das organische Material auf eine Temperatur knapp, beispielsweise 1 bis 10 K unterhalb, seiner Glasübergangstemperatur gebracht. Auf diese Weise kann das Entstehen der optischen Anisotropie verstärkt oder anderweitig gezielt beeinflusst werden.
Günstig ist es, wenn die Schreibwellenlänge zwischen 600 nm und 1600 nm beträgt. In diesem Wellenlängenbereich stehen ausgereifte und kommerziell erhältliche Laser zum Durchführen des Verfahrens zur Verfügung.
Ein erfindungsgemäßes Wellenleitbauteil ist in seinem Inneren bevorzugt im Wesentlichen eigenspannungsfrei, insbesondere eigenspannungsgradientenfrei. Das Wellenleitbauteil ist insbesondere dann eigenspannungsfrei, wenn die Eigenspannungen beispielsweise unter 20 MPa liegen. Das Wellenleitbauteil ist insbesondere dann eigenspannungsgradientenfrei, wenn die durch Eigenspannungen induzierte relative Änderung des Brechungsindex in keiner Raumrichtung größer ist als 10^–3.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
1 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Wellenleitbauteils,
2 eine schematische Ansicht des Wellenleitbauteils nach 1 von vorne,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine schematische Ansicht von vorne auf das Wellenleitbauteil gemäß 3,
5 eine 4 entsprechende Ansicht mit schematischen Ansichten eines Schreib-Lichtstrahls zum Schreiben des Wellenleiters und
6 ein schematisches Diagramm, das für ein geeignetes organisches Material den Absorptionsquerschnitt über die Wellenlänge aufträgt.
1 zeigt ein Wellenleitbauteil 10 für eine Signalwellenlänge λ_Signal = 700 nm mit einem monolithischen Grundkörper 12 und nicht eingezeichneten Komponenten zum Verbinden des Grundkörpers 12 mit einem mikroelektronischen oder mikrooptischen Bauteil. Der Grundkörper 12 umfasst organisches Material in Form eines Polymers, das Farbstoffmoleküle umfasst. Im vorliegenden Fall wird mit 10 Gew.-% 4-(N-(2-hydroxyethyl)-n-ethyl)-amino-4'-nitroazobenzen versehenes Poly-Methyl-Methacrylat (PMMA) eingesetzt. Dieses organische Material besitzt Absorptionswellenlängen λ_abs mit einem hohen Absorptionsquerschnitt, die eine Einphotonen-Absorptionsbande 14 für die Absorption in einem Einphotonenprozess bilden. Die Einphotonen-Absorptionsbande 14 liegt zwischen 430 nm und 550 nm. Diese Werte bezeichnen die Halbwertsbreite (Full width of half maximum, FWHM) des über die Wellenlänge aufgetragenen Absorptionsquerschnitts und sind in 6 dargestellt.
Das Material besitzt zudem Schreibwellenlängen λ schreib / N=2 , die eine Zweiphotonen-Absorptionsbande 16 bilden, in der das Material in einem Zweiphotonenprozess Photonen absorbieren kann. Der tief gestellte Index N bei der Schreibwellenlänge λ schreib / N gibt dabei die Zahl der Photonen an, die bei der Schreibwellenlänge an einem Absorptionsprozess beteiligt sind. Die Absorption auf Grund eines Einphotonenprozesses liegt in der Zweiphotonen-Absorptionsbande 16 beispielsweise bei weniger als 1 dB/m (0,01 dB/cm) und kann damit in guter Näherung als null angesehen werden.
Der Grundköper 12 ist selbstständig formstabil, das heißt, dass er von einer Unterlage 18 (1) auf eine weitere, nicht eingezeichnete Unterlage, verbracht werden kann, ohne dass er seine Form dauerhaft signifikant verändert.
In dem Grundkörper 12 ist ein Wellenleiter 20 ausgebildet, der sich entlang eines vorgegebenen Wellenleiterpfads erstreckt, der durch eine Mittelpunktslinie 22 definiert ist. Der Wellenleiter 20 ist in dem organischen Material und damit aus dem gleichen Material gebildet wie der übrige Grundkörper, jedoch ist das Material durch das im Folgenden beschriebene Verfahren so verändert worden, dass es gegenüber dem umgebenden Material einen abweichenden effektiven Brechungsindex n für ein Lichtsignal 24 aufweist. Dadurch wird das Lichtsignal 24, das eine vorgegebene Signalwellenlänge von λ_Signal = 700 nm besitzt, und das durch eine Eintrittsstelle in den Wellenleiter 20 eintritt, vom Wellenleiter 20 durch das Volumen des Wellenleitbauteils 10 geleitet und tritt im Wesentlichen ungeschwächt durch eine Austrittstelle 28 wieder aus.
Zum Herstellen des Wellenleiters 20 im Grundkörper 12 wird ein Ytterbium-Faserlaser 30 verwendet, der bei einer Schreibwellenlänge λ schreib / 2 von 1030 nm emittiert und eine Impuls-Wiederholrate von 500 kHz, eine Impulslänge von 300 fs und eine mittlere Leistung von 100 mW aufweist. Die Schreibwellenlänge λ schreib / 2 liegt in der Zweiphotonen-Absorptionsbande 16 (vgl. 6). Über ein 20-fach Fokussierobjektiv 32 mit einer numerischen Apertur von 0,45 wird ein fokussierter Schreib-Lichtstrahl 34 erzeugt, der einen Fokusbereich 36 besitzt, der sich im Inneren des Grundkörpers 12, also in dessen Volumen befindet.
Der Schreib-Lichtstrahl 34 weist zudem eine lineare Polarisation auf, die sich darin äußert, dass ein elektrischer Feldvektor E → stets in einer Richtung schwingt, die in einer Ebene verläuft, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Schreib-Lichtstrahls verläuft. Im Fokusbereich 36 kommt es im organischen Material des Grundkörpers 12 zu einer photoindizierten Reorientierung auf Grund einer Zweiphotonenanregung. Aus der Reorientierung resultiert eine optische Anisotropie, insbesondere eine Anisotropie des Brechungsindex n (Doppelbrechung) des organischen Materials, die auch bestehen bleibt, wenn der Schreib-Lichtstrahl 34 nicht mehr vorhanden ist. Aufgrund der Anisotropie erhöht sich der effektive Brechungsindex für das Lichtsignal 24 gegenüber der isotropen Umgebung des Fokusbereichs, 36. Es ist aber nicht notwendig, dass sich der effektive Brechungsindex für alle Polarisationsrichtungen des Lichtsignals 24 erhöht. Es ist vielmehr ausreichend, dass sich der effektive Brechungsindex für das Lichtsignal 24, das eine vorgegebene Polarisation und eine durch die Tangente T des Wellenleiterpfades vorgegebene Ausbreitungsrichtung besitzt, erhöht. Dadurch wird das Lichtsignal 24 auf Grund von Totalreflexion im Wellenleiter 20 geführt.
Um den Wellenleiter 20 vollständig in den Grundkörper 12 zu schreiben, wird der Grundkörper 12 mittels eines nicht eingezeichneten luftgelagerten Präzisions-Positioniersystems relativ zum Fokusbereich 36 verschoben, so dass der Fokusbereich 36 sich entlang der Mittelpunktslinie 22 bewegt.
2 zeigt, wie der Fokusbereich 36 durch Bewegen des Grundkörpers 12 in der x-z-Ebene bewegt werden kann, so dass der Wellenleiter 20 ausgebildet wird. Die Lage des elektrischen Feldvektors E → des Schreib-Lichtfelds bleibt dabei relativ zum Grundkörper 12 konstant und ändert sich relativ zur Tangente T an die Mittelpunktslinie 22, entlang derer sich der Wellenleiterpfad erstreckt. Da bei der photoinduzierten Anisotropie die Orientierung der Hauptachsen des Brechungsindextensors von der Richtung des elektrischen Feldvektors des Schreib-Lichtstrahls abhängt, erfährt das Lichtsignal 24, das im Wellenleiter 20 geführt werden kann und in der x-z-Ebene linear polarisiert ist, an den Stellen S₁ und S₂ unterschiedliche effektive Brechungsindizes. Ein in y-Richtung polarisiertes Lichtsignal 24 erfährt hingegen an beiden Stellen S₁ und S₂ den gleichen effektiven Brechungsindex. Der Wellenleiterpfad wird mit seiner Krümmung stets so gewählt, dass der effektive Brechungsindex für jede Polarisation des Lichtsignals 24 an jeder Stelle des Wellenleiters 20 hinreichend groß zum umgebenden organischen Material ist, so dass Totalreflexion eintritt und damit das Lichtsignal 24 den Wellenleiter 20 nicht verlassen kann.
3 zeigt ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem der Grundkörper 12 beim Bestrahlen mit dem Schreib-Lichtstrahl 34 relativ zu diesem in der x-z-Ebene verkippt wird. Auf diese Weise wird die in 5 gezeigte Situation erreicht, dass die Richtung des elektrischen Feldvektors E → an jeder Stelle des Wellenreiters 20 parallel zur jeweiligen Tangente T an den Wellenleiterpfad 20 ist. Auf diese Weise hat der effektive Brechungsindex für das Lichtsignal 24 stets den größtmöglichen Wert und es resultiert ein polarisationsunabhängiger Wellenleiter.
4 zeigt eine Ansicht von oben auf den Grundkörper 12, das heißt auf die x-y-Ebene. Während des Führens des Schreib-Lichtstrahls 34 (1) wird ein λ/2-Verzögerungsplättchen 38 so gedreht, dass der elektrische Feldvektor E → des Schreib-Lichtstrahls 34 wiederum an allen Stellen S₁, S₂, S₃, ... parallel zu den Tangenten T an den Wellenleiterpfad an den entsprechenden Stellen verläuft (4).
Das λ/2-Verzögerungsplättchen 38 (1) sowie das nicht eingezeichnete luftgelagerte Präzisions-Positioniersystem zum Verfahren des Grundkörpers 12 relativ zum Fokusbereich 36 werden von einer ebenfalls nicht eingezeichneten elektrischen Steuerung gesteuert. Dieser elektrischen Steuerung wird der Verlauf des Wellenleiterpfads vorgegeben, worauf hin sie den Schreib-Lichtstrahl 34 so führt, dass sich der Wellenleiter 20 im Volumen des Grundkörpers 12 entsprechend ausbildet.
Der Fokusbereich 36 besitzt ein Volumen, dessen räumliche Ausdehnung in der Größenordnung in einigen wenigen Wellenlängen der Schreibwellenlänge λ schreib / N liegt. Wird der Fokusbereich beispielsweise durch eine Kugel beschrieben, so trägt der Durchmesser dieser Kugel eine, zwei, drei oder mehr Wellenlängen und liegt unter 500 μm³.
Auf Grund der hohen Fokussierung ist die Lichtintensität in dem Fokusbereich 36 so hoch, um die Farbstoffmoleküle des organischen Materials effizient und winkelselektiv durch Zweiphotonenabsorption anzuregen. Im Fokusbereich 36 findet ein Reorientierungsprozess statt, bei dem die Farbstoffmoleküle des organischen Materials des Grundkörpers 12 in wiederholten sog. trans-cis-trans-Zyklen mit einer Orientierung senkrecht zum elektrischen Feldvektor des Schreib-Lichtstrahls 34 angereichert und parallel zu ihr abgereichert werden. Ein trans-cis-trans-Zyklus besteht aus den folgenden Schritten:

1. Bestrahlen mit linear polarisiertem Laserlicht.
2. Übergehen der Farbstoffmoleküle von ihrer anfänglichen lang gestreckten Form, dem so genannten trans-Isomer, in eine geknickte Form, das sog. cis-Isomer, auf Grund einer durch die Bestrahlung induzierten Mehrphotonenanregung.
3. Gleichmäßiges Verteilen der Farbstoffmoleküle durch Rotationsdiffusion in der cis-Form auf Grund ihrer hohen Rotationsbeweglichkeit.
4. Spontanes Übergehen der cis-Isomere in die trans-Form.

Durch diesen Mechanismus werden diejenigen trans-Isomere abgereichert, die mit dem polarisiertem Schreib-Lichtstrahl 34 angeregt werden können, da ihr Übergangsdipolmoment für Mehrphotonenanregung im Wesentlichen parallel zum elektrischen Feldvektor steht. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung der trans-Isomere senkrecht zum elektrischen Feldvektor E →. Neben dem beschriebenen Mechanismus existiert noch eine Vielzahl weiterer möglicher Mechanismen zum Erreichen einer Mehrphotonenabsorptions-induzierten optischen Anisotropie.
Durch das oben beschriebene Verfahren wird ein Wellenleitbauteil 10 erhalten, mit dem das Lichtsignal 24 mit der Signalwellenlänge λ_Signal weitgehend verlustfrei geleitet werden kann. Um ein Wellenleitbauteil zu erhalten, das ausgebildet ist, um Licht mit der vorgegebenen Signalwellenlänge λ_Signal zu leiten, wird daher zunächst die Signalwellenlänge λ_Signal gewählt, anschließend wird ein organisches Material ausgewählt, das bei der Signalwellenlänge λ_Signal im Wesentlichen keine Absorption, insbesondere durch Einphotonenabsorptionsprozesse, zeigt. Da die Anregungswahrscheinlichkeit p für eine N-Photonenanregung der Abhängigkeit p ~ [Icos²(θ)]^N gehorcht, ist bei niedrigen Intensitäten I die Anregungswahrscheinlichkeit p für Zwei-, Drei- und höhere Photonenanregungen sehr gering. Es ist daher möglich auch ein solches organisches Material zu wählen, das bei der Signalwellenlänge λ_Signal eine Mehrphotonen-Anregungsbande besitzt. θ ist der Winkel zwischen dem elektrischen Feldvektor E → des Schreib-Lichtstrahls und dem Übergangsdipolmomentvektor des organischen Materials.
Das oben beschriebene Verfahren kann für mehrere Wellenleiter durchgeführt werden, die beliebigen, auch dreidimensionalen Wellenleiterpfaden folgen können. Die Wellenleiterpfade unterschiedlicher Wellenleiter können einander zudem kreuzen oder aneinander vorbei laufen. Durch Bestrahlen mit unpolarisiertem Licht kann das Wellenleitbauteil 10, das den Wellenleiter 20 umfasst, zurückgesetzt werden. Unter Zurücksetzen wird verstanden, dass nach dem Bestrahlen mit unpolarisiertem oder zirkular polarisiertem Licht in dem Grundkörper 12 keine Wellenleiter 20 mehr ausgebildet sind und der Grundkörper 12 neu mit Wellenleitern beschreibbar ist.
In einer alternativen Ausführungsform wird statt des Schreib-Lichtstrahls 34 ein räumlich ausgedehnteres Schreib-Lichtfeld benutzt, das durch ein oder zwei Hologramme erzeugt wird. Ein solches Hologramm kann beispielsweise in Form eines diffraktiv-optischen Elements realisiert werden. Werden zwei Hologramme eingesetzt, so wirken diese bevorzugt auf zueinander senkrecht stehende Polarisationsrichtungen, so dass im Grundkörper 12 ein Schreib-Lichtfeld ausgebildet werden kann, dass einen lang gestreckten Fokusbereich 36 entlang des Wellenleiterpfads besitzt, wobei in dem Fokusbereich die Polarisationsrichtung P → stets tangential zum Wellenleiterpfad verläuft.
Um die Ausbildung einer optischen Anisotropie zu verstärken, kann zusätzlich vorgesehen sein, nach oder während des Schreibens des Wellenleiters die Temperatur des organischen Materials lokal oder über den vollständigen Grundkörper 12 über Raumtemperatur hinaus zu erhöhen. Besonders vorteilhaft ist es, auf eine Temperatur knapp (1 bis 10 K) unterhalb der Glasübergangstemperatur des organischen Materials zu erhöhen. Es werden auf diese Weise Wellenleiter erhalten, die eine besonders stark ausgebildete Brechungsindexdifferenz zur Umgebung aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Wellenleitbauteil
12: Grundkörper
14: Einphotonen-Absorptionsbande
16: Zweiphotonen-Absorptionsbande
18: Unterlage
20: Wellenleiter
22: Mittelpunktlinie
24: Lichtsignal
28: Austrittsstelle
30: Ytterbium-Faserlaser
32: Fokussierobjektiv
34: Schreib-Lichtstrahl
36: Fokusbereich
38: λ/2-Verzögerungsplättchen
α: Winkel
λSignal: Signalwellenlänge
λschreibN: Schreibwellenlänge
λanreg: Anregungswellenlänge
θ: AWinkel zwischen P und dem Übergangsdipolmomentvektor des organischen Materials
n: Brechungsindex
neff: effektiver Brechungsindex
nparallel, nsenkrecht: Hauptachsenwerte des Brechungsindextensors
nisotrop: Brechungsindex des isotropen Materials
N: Zahl der Photonen
p: Anregungswahrscheinlichkeit
E→: elektrischer Feldvektor Richtung
r⇀: Richtung
S: Stelle
T: Tangente

Claims

Verfahren zum Herstellen eines sich entlang eines vorgegebenen Wellenleiterpfads erstreckenden Wellenleiters (20) für ein Lichtsignal (24) einer vorgegebenen Signalwellenlänge (λ_Signal), mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines organischen Materials, (i) das einen Brechungsindex (n) besitzt und (ii) in dem durch Bestrahlen mit linear polarisiertem Licht (34) einer Schreibwellenlänge ( λ schreib / N ), durch einen Mehrphotonenprozess eine optische Anisotropie induzierbar ist, und (b) Bestrahlen des organischen Materials mit einem Schreib-Lichtfeld, das (i) auf einen Fokusbereich (36) fokussiert ist, (ii) in einer Polarisationsrichtung linear polarisiert ist und (iii) eine Wellenlänge besitzt, die der Schreibwellenlänge ( λ schreib / N ) entspricht, (iv) so dass sich der Brechungsindex (n) des organischen Materials in einer Weise erhöht, dass eine Hauptachse des Brechungsindextensors (n), die zu einem kleinsten Hauptachsenwert korrespondiert, tangential zum Wellenleiterpfad verläuft und sich eine einachsig-negative Doppelbrechung im beschichteten Bereich des organischen Material einstellt, (c) so dass sich der Brechungsindex (n) des organischen Materials so verändert, dass das Lichtsignal (24) entlang des Wellenleiterpfads polarisations-unabhängig führbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das organische Material so bestrahlt wird, dass n_parallel < n_isotrop < n_senkrecht1 = n_senkrecht2 gilt, – wobei n_parallel der Brechungsindex für tangential zum Wellenleiterpfad polarisiertes Licht ist, – n_isotrop der Brechungsindex des isotropen Materials ist – und n_senkrecht1 und n_senkrecht2 die beiden anderen Hauptachsenwerte des Brechungsindextensors sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen mit dem Schreib-Lichtfeld ein Bestrahlen mit einem Schreib-Lichtstrahl (34) umfasst und der Schreib-Lichtstrahl (34) so geführt wird, dass sich der Fokusbereich (36) entlang des Wellenleiterpfads (22) bewegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schreib-Lichtstrahl (34) so geführt wird, dass ein elektrischer Feldvektor (E →) des Lichtstrahls (34) stets tangential zu dem Wellenleiterpfad im Fokusbereich verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material ein Polymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein flüssigkristallines Seitenkettenpolymer ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material Farbstoffmoleküle umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein festes Polymer, insbesondere ein selbstständig formstabiles Polymer, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen ein holographisches Bestrahlen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische Bestrahlen unter Verwendung zweier Hologramme durchgeführt wird, die auf gegenseitig senkrechte Polarisationsrichtungen wirken.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei oder nach dem Bestrahlen das organische Material auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schreibwellenlänge ( λ schreib / N ) zwischen 600 nm und 1600 nm beträgt.
Wellenleitbauteil (10), zum Leiten eines Lichtsignals (24) einer vorgegebenen Signalwellenlänge (λ_Signal), mit (a) einem monolithischen Grundkörper (12) aus einem formstabilen Material, in dem mindestens ein sich entlang eines vorgegebenen Wellenleiterpfads (22) erstreckender Wellenleiter (20) gebildet ist, (b) wobei das Material ein organisches Material ist, dadurch gekennzeichnet, dass (c) der Wellenleiter (20) dadurch gebildet ist, dass das organische Material entlang des Wellenleiterpfads (22) einen anisotropen Brechungsindex (n) besitzt, der sich so von dem Brechungsindex des organischen Materials in einer Umgebung des Wellenleiters (20) unterscheidet, dass das Lichtsignal (24) entlang des Wellenleiterpfads polarisationsunabhängig führbar ist, (d) dadurch, dass der Brechungsindex (n) des organischen Materials in einer Weise erhöht ist, dass eine Hauptachse des Brechungsindextensors (n), die zu einem kleinsten Hauptachsenwert korrespondiert, tangential zum Wellenleiterpfad verläuft und das organische Material entlang des Wellenleiters (22) eine einachsig-negative Doppelbrechung hat.
Wellenleitbauteil (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem organischen Material durch Bestrahlen mit linear polarisiertem Licht (34) einer Schreibwellenlänge ( λ schreib / N ) durch einen Mehrphotonenprozess eine optische Anisotropie induzierbar ist, wobei insbesondere durch einen Mehrphotonenprozess eine Brechungsindex-Anisotropie durch Anordnungs- oder Ausrichtungsanisotropie induzierbar ist.
Wellenleitbauteil (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Umgebung des Wellenleiters (20) im Wesentlichen eigenspannungsfrei, insbesondere eigenspannungsgradientenfrei, ist.
Wellenleitbauteil (10) nach Anspruch 15, mit: (a) einem ersten Wellenleiter (20), der entlang eines ersten Wellenleiterpfads gebildet ist und in einem Polarisationstrennabschnitt des Wellenleiterpfads – das organische Material einen polarisationsabhängigen Brechungsindex (n) für entlang des Wellenleiterpfads propagierendes Signallicht besitzt und – der Wellenleiterpfad eine Krümmung aufweist, so dass von dem ersten Wellenleiter (20) geführtes Licht einer ersten Polarisationsrichtung den Wellenleiter (20) in dem Trennabschnitt verlässt und Licht einer zweiten Polarisationsrichtung im Wellenleiter (20) geführt wird, und (b) einem zweiten Wellenleiter, der so relativ zum ersten Wellenleiter (20) angeordnet ist, dass das Licht der ersten Polarisationsrichtung in ihn eintritt.
Wellenleitbauteil (10) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Anlegen eines lokal begrenzten elektrischen Felds an einen Abschnitt des Wellenleiters (20).