DE102020212112A1 - Optisches Wellenleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das optische Wellenleiterbauelement umfasst:- mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10), die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist;- mindestens eine Führungsstruktur (20), die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10), und- mindestens ein Mantelmaterial (30), das einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) zumindest teilweise ausfüllt.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der integrierten Photonik und Mikro-Optik und betrifft ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das optische Wellenleiterbauelement kann hierbei zumindest teilweise mittels eines Verfahrens zur dreidimensionalen Freiform-Mikrostrukturierung erzeugt werden. Das optische Wellenleiterbauelement kann beispielsweise dazu dienen, Licht zwischen verschiedenen optischen Komponenten oder zwischen Freiraum-Strecken und optischen Komponenten zu übertragen. Andere Anwendungen sind denkbar.
• Stand der Technik
• Die Funktionsfähigkeit und die Effizienz eines optischen Wellenleiterbauelements hängen oft nicht nur von einer Position und einer dreidimensionalen Form funktionsrelevanter optischer Teilstrukturen, sondern auch von Brechungsindexunterschieden an Grenzflächen zwischen den das optische Wellenleiterbauelement bildenden Teilstrukturen ab. Viele Anwendungsfälle erfordern beispielsweise eine lateral einmodige Wellenführung, was durch einen hinreichend geringen Brechungsindexunterschied zu einem den Wellenleiterkern umgebenden Mantelbereich erreicht werden kann. In anderen Anwendungsfällen kann es dagegen vorteilhaft sein, einen höheren Brechungsindexunterschied einzustellen, beispielsweise um Abstrahlverluste in engen Wellenleiterbiegungen zu vermeiden oder um Führungseigenschaften der optischen Wellenleiterstruktur einstellen zu können. Darüber hinaus stellt sich bei vielen Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren das Problem einer richtungsabhängigen Auflösung, die zu unvermeidlichen richtungsabhängigen Variationen der kleinsten herstellbaren Querschnittsfläche von Lichtwellenleiterstrukturen führen. Ferner kann es wünschenswert sein, die Form des den Wellenleiterkern umgebenden Mantelmaterials in lateraler Richtung gezielt einstellen zu können, beispielsweise um eine in laterale Richtungen gleichmäßige Dicke des Mantelbereiches zu erreichen.
• US 8 903 205 B2 und US 9 034 222 B2 offenbaren jeweils ein Verfahren und eine Anordnung, mit 3D-Lithographie an einer Zielposition gefertigte optische Freiform-Wellenleiter dazu zu nutzen, unterschiedliche optische Komponenten miteinander zu verbinden. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich die lichtleitenden Kerne der Freiform-Wellenleiter in Position, Form und Größe auf einfache Weise an die Position, Form und Größe der zu verbindenden optischen Bauteile anpassen lassen. Die hergestellten Freiform-Wellenleiterkerne werden dann global in ein in seiner weiteren Form undefiniertes Mantelmaterial zum Zweck der Brechungsindexanpassung eingebettet.
• EP 3 162 549 A1 offenbart ein mittels eines 3D-Druckers lagenweise hergestelltes optisches Element, das mindestens eine ebenfalls mittels des 3D-Druckers lagenweise hergestellte mikrofluidische Kavität umfasst, die zum Zweck der Bereitstellung gewünschter Eigenschaften in bestimmten Anwendungsbeispielen mit einer funktionalen Substanz gefüllt wird. Die hierein beschriebenen Anwendungsbeispiele beziehen sich auf optische Anordnungen umfassend Linsen und Blenden.
• Aufgabe der Erfindung
• Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, welche die Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, Brechungsindexunterschiede an internen Grenzflächen zwischen den das optische Wellenleiterbauelement bildenden Teilstrukturen und insbesondere zwischen dem Wellenleiterkern und dem Mantel auf jeweils mindestens eine gewünschte Funktionalität einzustellen und innerhalb der Struktur, insbesondere entlang der Ausbreitungsrichtung des im Wellenleiter geführten Lichtes, gezielt variieren zu können. Insbesondere soll es damit möglich sein, die mittels eines Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens hergestellten, in Bezug auf ihre Form funktionsrelevanten Teilstrukturen des optischen Wellenleiterbauelements, wie z.B. die Wellenleiterkerne, zur Einstellung des Brechungsindex mit einer möglichst großen Vielfalt an lokal aufgebrachten und entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts variierenden Mantelmaterialien kombinieren zu können, wobei die verwendeten Mantelmaterialien nicht notwendigerweise durch ein Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren hochaufgelöst strukturierbar sein müssen.
• Weiterhin liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Herstellung von durchgehend einmodigen Wellenleiterstrukturen mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens zu ermöglichen. So findet beispielsweise bei auf Mehrphotonenabsorption beruhenden Lithographieverfahren eine Polymerisationsreaktion in einem den Fokuspunkt des Schreibstrahls umgebenden Raumbereich, einem sog. Voxel, statt, der eine entlang der Strahlrichtung ausgedehnte, von der numerischen Apertur des jeweils verwendeten Objektivs abhängige ellipsoidale Form aufweist. Die richtungsabhängige Ausdehnung dieses Voxels bestimmt die Auflösung und Form der herstellbaren Strukturen, was insbesondere bei einmodigen Wellenleitern zu starken Einschränkungen führen kann. Bei Zweiphotonenlithographie mit einer häufig verwendeten Lithographie-Wellenlänge von 780 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 1,4 liegt die entlang des Lithographiestrahls gemessene Länge des Voxels typischerweise zwischen 1 µm und 2 µm, während die senkrecht dazu gemessene Breite typischerweise weniger als 500 nm beträgt. Gleichzeitig liegt bei einem von Luft (Brechungsindex 1,0) umgebenen Wellenleiterkern mit einer Betriebswellenlänge von 1,5 µm, einem Brechungsindex von 1,5 und einer runden Querschnittsfläche die Grenze zur Mehrmodigkeit bei einem Radius von ca. 500 nm. Wellenleiterabschnitte, die anstatt von einem festen oder flüssigen Mantelmaterial von Vakuum, Luft oder einem anderen Gas (Brechungsindex ca. 1,0) umgeben sind, sind für bestimmte Funktionen wie z.B. Verzweigungen oder Polarisationsstrahlteiler unabdingbar und lassen sich mit diesem Verfahren nur dann einmodig ausgestalten, wenn die Wellenleiterachse im Wesentlichen parallel zur Achse des Lithographiestrahls orientiert ist. Für Wellenleiterabschnitte, deren Achse senkrecht oder in einem großen Winkel zum Lithographiestrahl orientiert ist, kann dagegen bei hohem Indexkontrast mit dem vorstehend beschriebenen Lithographieverfahren keine Einmodigkeit erreicht werden. Die Aufgaben der Erfindung besteht diesbezüglich darin, durchgehend einmodige, durch dreidimensional-direktschreibende Laserlithographie hergestellte Wellenleiterstrukturen auch dann zu ermöglichen, wenn diese Elemente enthalten, die auf einem hohen Brechungsindexkontrast zwischen Kern und Mantel beruhen. Unter einem einmodigen Wellenleiter wird in diesem Zusammenhang ein Wellenleiter verstanden, bei dem in jeder Querschnittsfläche maximal zwei bzgl. ihrer Polarisation unterscheidbare Grundmoden ausbreitungsfähig sind.
• Weiterhin liegt die Aufgabe der Erfindung darin, durch ein 3D-Mikrostrukturierungsverfahren hergestellte Wellenleiterkerne mit einem Mantelbereich mit in lateraler Richtung wohldefinierter Form zu kombinieren, der einen Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen ermöglicht. Dieser Mantelbereich soll so ausgestaltet sein, dass mechanische Spannungen und andere auf den Mantelbereich wirkende Kräfte weitgehend minimiert und damit eine ungewollte Deformation des Wellenleiterkerns vermieden wird.
• Offenbarung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird durch ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
• Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf‟, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
• Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
• Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „bevorzugt“, „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden sollen. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
• In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Wellenleiterbauelement, umfassend:
• - mindestens eine optische Wellenleiterstruktur, die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist;
• - mindestens eine Führungsstruktur, die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur; und
• - mindestens ein Mantelmaterial, das einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur zumindest teilweise ausfüllt.
• Die Begriffe „optisch“, „Strahlung“ oder „Licht“ betreffen jede Art von elektromagnetischen Wellen, die sich in einem optischen Wellenleiter führen lassen. Neben dem sichtbaren optischen Bereich, der eine Vakuumwellenlänge λ zwischen 400 nm und 800 nm aufweist, gehören hierzu insbesondere der UV-Bereich von 1 nm ≤ λ ≤ 400 nm, der Infrarot-Bereich von 800 nm ≤ λ < 1 mm und der Mikrowellenbereich von 1 mm ≤ λ ≤ 1 m, wobei der Bereich von 30 µm ≤ λ ≤ 3 mm auch als „THz-Bereich“ und der Bereich von 1 mm ≤ λ ≤ 1 cm auch als „Millimeterwellenbereich“ bezeichnet werden. Im Folgenden angegebene Zahlenwerte, insbesondere für Abmessungen von Strukturen oder zur Beschreibung von Leistungsparametern von Mikrostrukturierungsverfahren, z.B. für Auflösung oder Genauigkeit, beziehen sich, soweit nicht anders erwähnt, auf Anordnungen, die für eine Vakuum-Betriebswellenlänge λ von ca. 1,5 µm eingerichtet sind. Für andere Betriebswellenlänge lassen sich die angegebenen Zahlenwerte proportional zur Wellenlänge, insbesondere unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verwendeten Materialien, skalieren.
• Das optische Wellenleiterbauelement umfasst mindestens eine optische Wellenleiterstruktur, die in Form einer, vorzugsweise mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erzeugten, dreidimensionalen Freiformstruktur vorliegt. Der Begriff des „optischen Wellenleiterbauelements“ bezeichnet hierbei ein optisches Bauelement, in dem Licht zumindest abschnittsweise mittels eines optischen Wellenleiters geführt wird, und das somit über mindestens eine optische Wellenleiterstruktur verfügt. Der Begriff der „optischen Wellenleiterstruktur“ bezeichnet im Allgemeinen eine beliebige Anordnung, die zur Führung einer elektromagnetischen Welle im oben definierten Wellenlängenbereich eingerichtet ist.
• Hierzu gehören insbesondere einzelne optische Wellenleiter, optische Wellenleiter mit Verzweigungen, Polarisationsfilter, Polarisationsstrahlteiler, Polarisationskonverter, Taper, Richtkoppler, Koppler basierend auf Multimoden-Interferenz (MMI), Wellenleiternetzwerke sowie wellenleiterbasierte Bauelemente, auch in Kombination mit mikro-optischen Elementen wie Linsen, Spiegeln, oder Prismen. Andere Arten optischer Wellenleiterstrukturen sind jedoch denkbar. Die Führung der elektromagnetischen Welle in der optischen Wellenleiterstruktur kann hierbei insbesondere mittels Totalreflexion an einer optischen Grenzfläche oder mittels Mehrfachreflexion an periodisch angeordneten Elementen, beispielsweise im Falle eines auf einer photonischen Bandlücke oder auf einem photonischen Kristall beruhenden optische Wellenleiters erfolgen. In komplexeren optischen Wellenleiterstrukturen, wie z.B. in sog. „Sub-Wavelength Grating Waveguides“, kurz „SWG“, beruht die Wellenführung auf einem im Bereich des Wellenleiterkerns effektiv erhöhten Brechungsindex. Die Wellenführung mittels optischer Wellenleiterstruktur beruht hierbei auf der Tatsache, dass im Gegensatz zu einer Propagation des Lichts im Freiraum die Divergenz des in der optischen Wellenleiterstruktur propagierenden Lichts in lateraler Richtung durch eine fortwährende Interaktion des Lichts mit dielektrischen Grenzflächen verhindert oder, im Falle eines sich verjüngenden oder sich verbreiternden optischen Wellenleiters, kontrolliert wird. Dadurch wird es möglich, Licht in einem in Ausbreitungsrichtung elongierten Bereich in axialer Richtung zu führen, wobei das Verhältnis der axialen Ausdehnung des lichterfüllten Bereichs bevorzugt mehr als 3, besonders bevorzugt mehr als 5, und ganz besonders bevorzugt mehr als 10 oder 20 beträgt. Zusätzlich zu der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur kann das optische Wellenleiterbauelement noch weitere, optische Strukturen aufweisen, insbesondere ausgewählt aus mindestens einem refraktiven, diffraktiven und/oder reflektiven optischen Element, zum Beispiel mindestens einer Linse oder einem Spiegel, die dazu eingerichtet sind, die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Wellenleiterbauelement zusätzlich zu verändern.
• Das vorliegende optische Wellenleiterbauelement umfasst ferner mindestens eine Führungsstruktur, die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, die sich in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur befindet. Mittels der Führungsstruktur lässt sich ein präzise definierbarer Bereich festlegen, innerhalb dessen die optische Wellenleiterstruktur mit einem Mantelmaterial umgeben werden kann, wofür vorzugsweise Kapillarkräfte in einem auch als „Zwischenraum“ bezeichneten „Raumbereich“ zwischen der mindesten einen Führungsstruktur und der mindesten einen optischen Wellenleiterstruktur verwendet werden können. Der Begriff der „Nähe“ bezeichnet einen in geeigneter Weise gewählten Abstand zwischen der Führungsstruktur und dem mit dem mindestens einen Mantelmaterial zu umgebenden, mindestens einen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur. Der Abstand, welcher den Begriff „Nähe“ festlegt, wird hierbei mindestens so groß gewählt, dass dieser ein Vielfaches einer Eindringtiefe der in dem mindestens einen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur geführten optischen Strahlung in den umgebenden Mantelbereich beträgt, um ein Koppeln der geführten Strahlung mit der Führungsstruktur zu vermeiden. Die Eindringtiefe δ ist dabei definiert als Tiefe, bei welcher das von der in der Wellenleiterstruktur geführten Mode erzeugte evaneszente elektrische Feld um den Faktor 1/e abgefallen ist. Insbesondere lässt sich die Eindringtiefe δ abschätzen mit Gleichung (1): $$\delta \approx \lambda /\left(n_e{}^2-n_2{}^2\right)>\lambda /\left(n_1{}^2-n_2{}^2\right),$$

  

  wobei n₁ den Brechungsindex in der optischen Wellenleiterstruktur, n₂ den Brechungsindex in dem die optische Wellenleiterstruktur umhüllenden Mantelbereich und n_e den effektiven Brechungsindex der in der Wellenleiterstruktur geführten Mode bezeichnen. Der Abstand kann hierbei insbesondere mindestens so groß gewählt werden, dass der Abstand bevorzugt das Doppelte, besonders bevorzugt das Dreifache, ganze besonders bevorzugt das Fünffach oder das Zehnfache der Eindringtiefe δ beträgt. Bei einer Vakuum-Betriebswellenlänge des optischen Wellenleiterbauelements von ca. 1,5 µm liegt dieser Abstand bevorzugt von 1 µm bis 500 µm, besonders bevorzugt von 2 µm bis 100 µm, insbesondere von 5 µm bis 50 µm. Für andere Betriebswellenlängen lassen sich die angegebenen Zahlenwerte proportional zur Wellenlänge, insbesondere unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verwendeten Materialien, skalieren. Die Führungsstruktur kann hierbei bevorzugt so ausgestaltet sein, dass die Führungsstruktur keinen direkten Kontakt zum Kern der Wellenleiterstruktur aufweist.
• Die mindestens eine Führungsstruktur ermöglicht es, mindestens einen von der mindestens einen Führungsstruktur umgebenen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur, insbesondere unter Ausnutzung von Kapillarkräften, lokal mit dem mindestens einem Mantelmaterial zu umschließen und damit den Brechungsindexkontrast des mindestens einen Wellenleiterabschnitts gezielt einzustellen. Auf diese Weise können bei komplexeren optischen Wellenleiterstrukturen, die mehrere Abschnitte umfassen, auch einzelne Bereiche mit dem mindestens einen Mantelmaterialien versehen werden, oder aber es können mehrere Abschnitte mit verschiedenen Mantelmaterialien versehen werden, so dass der Brechungsindexkontrast an der Kern-Mantel-Grenzfläche derart ausgestaltet sein kann, dass sich der Brechungsindexkontrast entlang der Ausbreitungsrichtung ändert. Dies kann vorteilhaft sein für eine Kombination aus verschiedenen optischen Elementen, deren Ausgestaltung jeweils unterschiedliche Anforderungen an den Brechungsindexkontrast stellt. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Führungsstruktur als Schutzstruktur kann es insbesondere möglich sein, eine ungewollte Einbettung von Teilbereichen der Wellenleiterstruktur in das Mantelmaterial zu vermeiden.
• Ferner löst die Erfindung das Problem, durchgehend einmodige Wellenleiterstrukturen mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens herzustellen. So können Wellenleiterabschnitte, die einen für bestimmte Funktionen wie z.B. Verzweigungen oder Polarisationsstrahlteiler unabdingbaren hohen Indexkontrast aufweisen müssen, so ausgerichtet werden, dass die Wellenleiterachse im Wesentlichen parallel zur Achse des Lithographiestrahls orientiert ist und dass somit eine bestmögliche Auflösung bei der lithographischen Definition des Wellenleiterkerns erreicht wird. Andere Wellenleiterabschnitte, deren Achse senkrecht oder in einem großen Winkel zum Lithographiestrahl orientiert sind, können dagegen mit größerem Querschnitt strukturiert und durch eine lokale Einbettung in ein Mantelmaterial mit hinreichend hohem Brechungsindex einmodig ausgestaltet werden. Für eine Strukturierung mit einem im Wesentlichen parallel zur Achse des Lithographiestrahls orientierten Wellenleiterabschnitt mit hohem Indexkontrast liegt der größte senkrecht zur Wellenleiterachse gemessene Durchmesser des Wellenleiterkerns bevorzugt unterhalb von 3 µm, besonders bevorzugt unterhalb von 2 µm, und ganz besonders bevorzugt unterhalb von 1,5 µm. Für eine Strukturierung mit einem im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Lithographiestrahls orientierten Wellenleiterabschnitt mit geringem Indexkontrast liegt der größte senkrecht zur Wellenleiterachse gemessene Durchmesser des Wellenleiterkerns bevorzugt von 1,5 µm bis 25 µm, besonders bevorzugt von 1,5 µm bis 15 µm, und ganz besonders bevorzugt von 2 µm bis 12 µm. Diese Zahlenwerte beziehen sich auf eine Umsetzung der Erfindung mit Hilfe eines auf Mehrphotonenabsorption beruhenden Lithographieverfahrens bei einer Lithographie-Wellenlänge von 780 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 1,4. Für andere Lithographieverfahren müssen die genannten Werte entsprechend der jeweils vorliegenden Voxelform angepasst werden. Für geringere Aperturwerte erhöht sich infolge eines stärker elongierten Voxels insbesondere der größte senkrecht zur Wellenleiterachse gemessene Durchmesser des Wellenleiterkerns in den senkrecht zur Achse des Lithographiestrahls orientierten Wellenleiterabschnitten.
• Darüber hinaus ermöglich es die Erfindung, durch eine entsprechende Ausgestaltung der mindestens einen Führungsstruktur die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise zu definieren. Der Begriff „lateral“ bezeichnet hierbei eine Richtung, die lokal senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des im Wellenleiter geführten optischen Feldes ist; eine Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung wird als „axial“ bezeichnet. Damit wird es möglich, den zum Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen unabdingbaren Mantelbereich so auszugestalten, dass er abgesehen von unvermeidlichen Verankerungspunkten keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung wie z.B. anderen optischen Bauteilen oder Montageplatten („Submounts“) aufweist. Damit wird es möglich, die von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkenden Kräfte weitgehend zu minimieren und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung des Wellenleiterkerns zu vermeiden. Von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkende Kräfte können sich beispielsweise infolge thermisch oder anderweitig induzierter mechanischer Spannungen ergeben und zu einer reduzierten Lebenszeit des Wellenleiterbauelements führen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Führungsstruktur derart ausgestaltet sein, dass sich eine symmetrische Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur durch das Mantelmaterial ergibt, so dass sich auch innerhalb des Mantelmaterials beispielsweise in Folge eines Aushärteprozesses und eines damit verbundenen Schrumpfungsprozesses auftretende Kräfte weitgehend kompensieren, ohne die Wellenleiterstruktur zu deformieren.
• Weiterhin kann die mindestens eine Führungsstruktur mindestens einen Fluidstopp aufweisen, der bevorzugt in die mindestens eine Führungsstruktur integriert sein kann. Der Begriff des „Fluidstopps“ bezeichnet hierbei eine Teilstruktur der mindestens einen Führungsstruktur, die eine Barriere für ein weiteres Vordringen eines Materials, insbesondere mindestens eines zu einem Zeitpunkt des Einbringens in die den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur flüssig vorliegenden Mantelmaterials, darstellt. Auf diese Weise kann ein Vordringen oder eine Ausdehnung des mindestens einen Mantelmaterials über einen festgelegten Bereich hinaus verhindert werden.
• Die mindestens eine Führungsstruktur, welche den mindestens einen von dem mindestens einen Mantelmaterial umschlossenen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur festlegt, ermöglicht es, eine große Vielfalt an Materialien als Wellenleitermantel einzusetzen. Hierzu ist es nicht erforderlich, dass das mindestens eine Mantelmaterial durch ein Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren selbst hochaufgelöst strukturierbar ist; vielmehr genügt es, dass sich das mindestens eine Mantelmaterial, insbesondere mittels eines Dispensierverfahrens zwischen der mindestens einen Führungsstruktur und der als Wellenleiterkern ausgestalteten mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur einbringen lässt. Hierbei kann das Einbringen vorzugsweise dadurch erleichtert werden, dass die mindestens eine Führungsstruktur um mindestens eine weitere Zuführungsstruktur ergänzt wird, durch die das mindestens eine Mantelmaterial eingefüllt werden kann. In vorteilhafter Weise kann hierbei die mindestens eine Zuführungsstruktur derart ausgestaltet sein, dass das mindestens eine Mantelmaterial von einem gemeinsamen Zuführungspunkt aus an unterschiedliche Führungsstrukturen geleitet wird, wodurch ein rationelles Aufbringen des mindestens einen Mantelmaterials insbesondere bei komplexen Führungsstruktur ermöglicht wird.
• Das mindestens eine Mantelmaterial kann aus einer Vielzahl von Materialien ausgewählt werden. In einer Ausgestaltung, in welcher der Wellenleiterkern mindestens ein Polymer umfasst, eignen sich hierfür insbesondere niedrigbrechende Polymere, die fluoriniert sein können oder polysiloxan-basierte Komponenten aufweisen können. Das mindestens eine Mantelmaterial, das die als Wellenleiterkern ausgestaltete, mindestens eine optische Wellenleiterstruktur zumindest bereichsweise umgibt, weist einen Brechungsindex auf, der bevorzugt von 1 bis 1,5, besonders bevorzugt von 1,2 bis 1,5, insbesondere von 1,3 bis 1,45, ist. Der Brechungsindexunterschied zwischen dem Material des Wellenleiterkerns und dem mindestens einen Mantelmaterial ist bevorzugt von 0,05 bis 1, besonders bevorzugt von 0, 1 bis 0,7, insbesondere von 0,15 bis 0,6. Das Mantelmaterial kann bevorzugt so gewählt werden, dass es eine möglichst geringe Absorption bei der Betriebswellenlänge des optischen Wellenleiters hat. Die Materialabsorption des Mantelmaterials bei der Betriebswellenlänge von ca. 1,5 µm liegt bevorzugt unter 10 dB/mm, besonders bevorzugt unter 5 dB/mm, und ganz besonders bevorzugt unter 2 dB/mm oder 1 dB/mm. Bei anderen Betriebswellenlängen sind diese Werte antiproportional zur Wellenlänge zu skalieren. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorgeschlagene Anordnung wird auf die untenstehenden Ausführungsbeispiele verweisen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung lässt sich das erfindungsgemäße optische Wellenleiterbauelement in direktem physikalischem Kontakt mit weiteren optischen Komponenten erzeugen und dabei, vorzugsweise präzise, an optischen Koppelstellen dieser Komponenten ausrichten. Der im Folgenden verwendeten Begriff der „optischen Koppelstelle“ bezeichnet
• - einerseits eine Fläche einer lichtabstrahlenden optischen Komponente oder einer Struktur der lichtabstrahlenden optischen Komponente, welche das Licht bei einer Abstrahlung des Lichtes als letztes durchstößt, oder
• - andererseits die Fläche einer lichtempfangenden optischen Komponente oder einer Struktur der lichtempfangenden optischen Komponente, welche bei einem Empfang von Licht als erstes von dem Licht beaufschlagt wird.
• Im Folgenden bezeichnen die Begriffe „optisches Bauteil“ und „optische Komponente“ ein optisches Element, das zu Emission, Transport, Empfang, Detektion und/oder Manipulation von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, während der Begriff „optisches System“ eine Anordnung von mindestens zwei optischen Komponenten oder eine Kombination einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Anordnungen untereinander, mit mindestens einer optischen Komponente oder mit mindestens einer weiteren, in Kombination mit der erfindungsgemäßen Anordnung hergestellte Zusatzstruktur, insbesondere mindestens einem optischen Wellenleiter oder mindestens einem mikrooptischen Element bezeichnet. Vorzugsweise ist jede im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete optische Komponente ausgewählt aus der Gruppe umfassend: optische Glasfasern, insbesondere Einmodenfasern oder Mehrmodenfasern aus organischen oder anorganischen Materialien; integriert-optische Chips, insbesondere Fotodioden, lineare oder flächige Fotodiodenarrays, CCD-Arrays oder Bildsensoren, insbesondere auf der Basis von Halbleitern, vorzugsweise Silizium oder III-V-Verbindungshalbleitern, oder dielektrischen Materialien, bevorzugt Gläser, Siliziumdioxid, Silizium-Nitrid oder Polymeren; Bolometer; Laser, insbesondere oberflächenemittierende Laser (engl. vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSEL) oder kantenemittierende Laser; Superlumineszenz-Dioden; optische Leiterplatten; Elemente für die Freistrahl-Optik, insbesondere Linsen, Strahlteiler, Isolatoren, Spiegel oder Beugungsgitter. Andere optische Komponenten sind denkbar. Die optischen Komponenten können bevorzugt optische Wellenleiter mit geringem Indexkontrast, insbesondere Glas-basierte optische Wellenleiter, oder mit mittlerem oder hohem Indexkontrast, insbesondere Wellenleiter auf Basis von Halbleitern oder dielektrischen Materialien, umfassen. Eine Einkopplung oder Auskopplung von Licht kann vorzugsweise an einer Kante oder auf einer Oberfläche der optischen Komponente erfolgen; insbesondere an einer Kante eines kantenemittierenden Lasers, an einer Chipkante, oder an einer Facette eines wellenleiterbasierten Systems; alternativ an einer Oberfläche eines oberflächenemittierenden Lasers oder einer oberflächenbeleuchteten Fotodiode, oder auf der Oberfläche eines wellenleiterbasierten Chips, der über mindestens eine optische Koppelstelle, insbesondere umfassend einen Gitterkoppler oder einen Umlenkspiegel, verfügt. Andere Arten der Einkopplung oder der Auskopplung von Licht sind jedoch möglich.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterbauelements, insbesondere eines hierin offenbarten optischen Wellenleiterbauelements. Die Schritte des Verfahrens sind im Einzelnen:
1. a) Herstellen mindestens einer optischen Wellenleiterstruktur, die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens;
2. b) Herstellen mindestens einer Führungsstruktur, die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens; und
3. c) Einbringen mindestens eines Mantelmaterials in einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur.
• Die Durchführung der Schritte a) und b) muss nicht streng sequenziell erfolgen, sondern kann auch in andere, parallel ablaufende Fertigungsprozesse eingebunden sein. Hierbei kann jeder der Schritte a) bis c) auch mehrfach durchgeführt werden, wobei zumindest aufeinanderfolgende Schritte auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte zusätzlich ausgeführt werden.
• Die Herstellung der vorliegenden Strukturen, d.h. der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur, der mindestens einen Führungsstruktur und optional mindestens einer zur mechanischen Fixierung der mindestens einen Führungsstruktur eingerichteten Stützstruktur, erfolgt in situ, d.h. direkt an einer Zielposition, mittels mindestens eines geeigneten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens. Hierbei bezeichnet der verwendete Begriff des „Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens“ ein subtraktives oder additives Herstellungsverfahren, mit welchem sich dreidimensionale Strukturen, bevorzugt Freiformstrukturen, herstellen lassen. Unter dem Begriff der „Freiformstruktur“ wird in diesem Zusammenhang eine Struktur verstanden, die, im Rahmen technischer Begrenzungen in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit zumindest bereichsweise beliebig gekrümmte Oberflächen aufweisen kann. Die Freiformstruktur unterscheidet sich damit insbesondere von Strukturgeometrien, die sich durch klassische planare Mikrostrukturierungsverfahren, also z.B. durch eine Kombination von Dünnschichtabscheidungsverfahren, zweidimensionalen Lithographieverfahren, z.B. Projektionslithographie, und Ätzprozessen auf ebenen Substraten herstellen lassen. Eine Kombination dieser klassischen Prozesse führt in der Regel zu prismenähnlichen dreidimensionalen Strukturgeometrien, welche je eine, im Wesentlichen zur Substratoberfläche parallele Grund- und Deckfläche aufweisen, die in der Form identisch oder sehr ähnlich sind, und die, abhängig vom ausgewählten Ätzprozess oder Abscheideprozess, mittels zur Substratoberfläche senkrechte, geneigte, oder auch nach innen oder außen gewölbte Seitenwände miteinander verbunden werden. Die Form der Grund- und Deckfläche wird dabei im Wesentlichen durch die zum lokalen Ätzen oder Abscheiden verwendete, oftmals lithographisch strukturierte Maske vorgegeben. Durch mehrmalige Wiederholung des Ätzprozessen oder des Abscheideprozesses mit verschiedenen Masken lassen sich mehrschichtige, aus mehreren prismenähnlichen Teilstrukturen bestehende Strukturen aufbauen. Allerdings ist der mit dieser Wiederholung verbundene Zusatzaufwand enorm und in vielen Fällen auch durch eine Überlagerungsgenauigkeit (engl. overlay accuracy) beschränkt, so dass eine Anzahl an Schichten in der Praxis oft auf einige wenige, z.B. auf drei, begrenzt ist. Dies führt insbesondere zu geometrischen Einschränkungen der mit klassischen Mikrostrukturierungsverfahren mit vertretbarem Aufwand herstellbaren Strukturen und damit zu funktionellen Einschränkungen der dadurch gebildeten Bauteile.
• Freiformstrukturen, die mittels Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt sind oder werden, sind diesen Einschränkungen nicht oder zumindest nicht in demselben Maße unterworfen, da ihre Strukturgeometrie nicht auf einer Kombination einer vergleichsweise geringen Anzahl an ebenen, prismenähnlichen Teilstrukturen eingeschränkt ist. Damit wird es insbesondere möglich, optische Wellenleiterbauelemente und/oder Führungsstrukturen mit beliebigen dreidimensionalen Geometrien zu erzeugen. Hierbei ist generell zu bemerken, dass Freiformstrukturen in vielen Fällen zwar ebenfalls aus einer Vielzahl einzelner Schichten hergestellt werden, vorzugsweise durch einen mehrlagigen Materialauftrag beim 3D-Druck oder durch eine photochemisch induzierte Aushärtung verschiedener Schichten bei einem 3D-Lithographieverfahren. Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erlauben es allerdings, die Anzahl dieser Schichten mit vertretbarem Herstellungsaufwand so groß zu wählen, dass sich eine gute Approximation der Freiformstruktur ergibt und dass die Diskretisierung in einzelne Schichten keine praktisch funktionsrelevante Einschränkung der herstellbaren Strukturgeometrien mehr darstellt. Die vorliegenden Strukturen werden dabei bevorzugt aus mindestens 5, besonders bevorzugt mindestens 10, insbesondere mindestens 20 oder 30, Schichten aufgebaut.
• Zur Herstellung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur für eine Vakuum-Betriebswellenlänge von ca. 1,5 µm liegt eine Dicke einer Schicht bevorzugt zwischen 10 nm und 1000 nm, besonders bevorzugt zwischen 30 nm und 500 nm, insbesondere zwischen 50 nm und 300 nm. Damit wird es möglich, die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur mit Abweichungen von weniger als 1000 nm, besonders bevorzugt weniger als 500 nm, insbesondere weniger als 100 nm, zu erzeugen. Die Auflösung des Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens ist hierbei bevorzugt besser als 3 µm, besonders bevorzugt besser als 1 µm, insbesondere besser als 500 nm. Die vorstehend genannten Zahlenwerte beziehen sich auf die Herstellung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur, die für eine Vakuum-Betriebswellenlänge von ca. 1,5 µm vorgesehen sind. Für andere Betriebsfrequenzen lassen sich die Abmessungen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und damit die Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung des zur Herstellung verwendeten Mikrofabrikationsverfahrens entsprechend, ggf. unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verwendeten Materialien, skalieren.
• Zur Herstellung der mindestens einen Führungsstruktur und optional der mindestens einen Stützstruktur genügen geringere Anforderungen an die Genauigkeit und die Auflösung der Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren, wodurch sich in vielen Fällen eine vorteilhafte Erhöhung der Strukturierungsgeschwindigkeit erreichen lässt. Abhängig von der Größe der mindestens einen Führungsstruktur und ihrem Abstand zu der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur können zur Herstellung der mindestens einen Führungsstruktur Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren verwendet werden, bei denen die Abweichungen der realisierten Struktur von der idealen Struktur bevorzugt höchstens 10 µm, besonders bevorzugt höchstens 3 µm, insbesondere höchstens 1 µm betragen. Die zugehörigen Auflösungen sind bevorzugt besser als 50 µm, besonders bevorzugt besser als 10 µm, insbesondere besser als 5 µm oder 2 µm.
• Zur Herstellung der optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur können unterschiedliche Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren oder dasselbe Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren verwendet werden; wobei sich bei einer Verwendung desselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens alle Strukturen in vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Arbeitsgang erzeugen lassen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung können das Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren und/oder eine ein derartiges Verfahren ermöglichende Freiform-Mikrostrukturierungseinheit auf einem lithographischen Verfahren beruhen, das insbesondere der Konzept der Stereolithographie oder direktschreibende, bevorzugt dreidimensional-direktschreibende, Lithographieverfahren nutzt. Dabei können additive oder Subtraktive Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, wobei der Begriff des „additiven Fertigungsverfahrens“ ein Herstellungsverfahren bezeichnet, bei welchem Material kontinuierlich an oder auf eine Struktur an- oder aufgebracht wird, während der Begriff des „subtraktiven Fertigungsverfahrens“ ein alternatives Herstellungsverfahren beschreibt, bei welchem Material von einer Struktur entfernt wird. Der Materialauftrag oder Materialabtrag lässt sich in der bevorzugten Ausführungsform mit lithographischen Verfahren unter Verwendung geeigneter Fotolacke, insbesondere Negativ- oder Positivlacke, erreichen. In einer bevorzugten Ausgestaltung können dabei Flächenlichtmodulatoren, die eine schnelle Strukturierung erlauben, in einem Stereolithographieverfahren verwendet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung können Mehrphotonen-Lithographieverfahren, insbesondere mittels gepulster Laserquellen, als direktschreibende Lithographieverfahren verwendet werden. Dabei können Lichtpulse mit einer Pulsdauer von höchstens 10 ps, bevorzugt von höchstens 1 ps, besonders bevorzugt höchstens 200 fs, insbesondere höchstens 100 fs, bei einer Wiederholrate von bevorzugt mindestens 1 MHz, bevorzugt von 10 MHz, besonders bevorzugt von mindestens 25 MHz, insbesondere von mindestens 80 MHz, verwendet werden. Hierfür eignen sich insbesondere Laserlichtquellen ausgewählt aus faserbasierten Femtosekundenlasern oder gepulsten Festkörperlasern wie Titan: Saphir-Laser oder Diodenlaser, die sich mit Frequenzkonversionseinheiten, beispielsweise zur Frequenzvervielfachung, zur Summenfrequenzerzeugung oder zur Differenzfrequenzerzeugung kombinieren lassen. Abhängig vom verwendeten Lithographieverfahren können dabei bevorzugt Wellenlängen im nahinfraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich oder im Bereich der extremen UV-Strahlung (EUV) oder der Röntgenwellenlängen zum Einsatz kommen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegen diese Wellenlängen von 150 nm bis 1700 nm, insbesondere von 300 nm bis 1100 nm. Im Fall von gepulsten Lasern können durch eine geeignete Wahl von Pulsdauer und Pulsenergie gezielt Zwei-, Drei- oder Mehrphotonenabsorptionseffekte erreicht werden. Bei auf Einphotonen-Absorption beruhenden Lithographieverfahren mit Dauerstrichlasern bieten sich Diodenlaser mit Emissionswellenlängen zwischen 360 nm und 550 nm, also beispielsweise um 365 nm, 385 nm, 405 nm, 550 nm und 532 nm an. Zur Steigerung der Auflösung von Lithographie-Verfahren kann mit geeigneten Photoinitiatoren das Prinzip der „Stimulated Emission Depletion“ (STED) in Anlehnung an entsprechende Mikroskopieverfahren genutzt werden. Darüber hinaus sind weitere Mikrostrukturierungsverfahren zur Herstellung des wellenleiterbasierten optischen Koppelelements denkbar, insbesondere Verfahren, die auf Materialextrusion, pulverbettbasiertem Schmelzen (engl. powder-bed fusion), Material-Jetting, Binder-Jetting, selektivem Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen basieren können. Abhängig vom jeweils verwendeten Mikrostrukturierungsverfahren kann die Wellenleiterstruktur ein Polymer, insbesondere ein bevorzugt optisch additiv oder subtraktiv strukturierbares Acrylat, Epoxidharz, oder ein Fluorpolymer, ein Metall oder ein metallbeschichtetes Dielektrikum umfassen.
• In einer besonderen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße optische Wellenleiterbauelement so ausgestaltet sein, dass es eine effiziente Übertragung von Licht zwischen zwei optischen Bauteilen ermöglicht. In diesem Zusammenhang kann die Möglichkeit genutzt werden, in Anlehnung an das Konzept des „Photonic Wire Bonding“ während des Herstellungsprozesses zunächst die Position und Lage der zu verbindenden optischen Koppelstellen zu erfassen und dann eine daran angepasste Trajektorie für den Kern des optischen Wellenleiters und ggf. auch eine entsprechende Form der Führungsstruktur für das Mantelmaterial zu entwerfen. Die Trajektorie des Wellenleiterkerns wird dabei so gewählt, dass eine möglichst präzise Ankopplung an die optischen Koppelstellen der optischen Komponenten möglich wird, wobei die unerwünschten Abweichungen von der Position maximaler Koppeleffizienz bevorzugt bei unter 1 µm, besonders bevorzugt bei unter 500 nm und ganz besonders bevorzugt bei unter 200 nm oder 100 nm liegen.
• Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der Anordnung sowie auf die Ausführungsbeispiele verweisen.
• Vorteile der Erfindung
• Die Vorteile der Erfindung liegen in der Möglichkeit, eine präzise definierbare lokale Überdeckung der optischen Wellenleiterstruktur zu erreichen und damit eine freie Anpassung des Brechungsindexkontrasts durch die Wahl geeigneter lokal eingebrachter Mantelmaterialien zu ermöglichen. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, dass nur eine einzelne Mode im Lichtwellenleiter geführt und damit eine effiziente Ankopplung an einmodige optische Komponenten möglich wird. Ferner können abschnittsweise unterschiedliche Anforderungen an den Brechungsindexkontrast gleichzeitig ermöglicht werden, indem dieser gezielt entlang der Ausbreitungsrichtung variiert wird.
• Ferner ermöglicht es die Erfindung, durchgehend einmodige Wellenleiterstrukturen mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des zugrundeliegenden Strukturierungsverfahrens herzustellen, indem beispielsweise durch ihre Orientierung bzgl. des auflösbaren Querschnittes beschränkte Wellenleiterabschnitte durch eine lokale Einbettung in ein Mantelmaterial mit hinreichend hohem Brechungsindex einmodig ausgestaltet werden. Dieser Vorteil ist beispielsweise für die Realisierung von wellenleiterbasierten Polarisationsstrahlteilern von großer Bedeutung, bei denen funktionell relevante Wellenleiterabschnitte mit hohem Indexkontrast parallel zum Schreibstrahl ausgerichtet und damit mit kleinen Querschnitten realisiert werden können.
• Darüber hinaus ermöglich es die Erfindung, durch eine entsprechende Ausgestaltung der Führungsstruktur die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise zu definieren. Damit wird es insbesondere möglich, den zum Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen unabdingbaren Mantelbereich so auszugestalten, dass er, abgesehen von einzelnen Verankerungspunkten, keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung wie z.B. anderen optischen Bauteilen oder Montageplatten („Submounts“) aufweisen kann, so dass auf den Mantelbereich wirkende Kräfte weitgehend minimiert und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung des Wellenleiterkerns vermieden werden können.
• Durch einen optionalen Einsatz von Führungsstrukturen, Fluidstopps oder Auslasselementen kann ein Druck auf die Führungsstrukturen verringert und somit ein Überlaufen auf das Substrat verhindert werden. Durch die Verwendung von verschiedensten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren zur Herstellung der mindestens einen optischen Wellenleiterstrukturen und der mindestens einen Führungsstruktur kann das optische Wellenleiterbauelement flexibel an die Gegebenheiten unterschiedlichster optischer Bauelemente angepasst und, falls erforderlich, um mechanisch stabilisierende Stützstrukturen erweitert werden. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, eine große Vielfalt an Mantelmaterialien für eine geometrisch präzise Einbettung von optischen Freiformwellenleitern zu verwenden, wobei das mindestens eine Mantelmaterial seinerseits nicht notwendigerweise durch ein Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren hochaufgelöst strukturierbar sein muss.
• Figurenliste
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigen:
• 1 und 2 jeweils ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements;
• 3 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das zwischen zwei optischen Komponenten angeordnet ist;
• 4 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das drei optische Wellenleiterstrukturen aufweist;
• 5 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, umfassend drei optische Wellenleiterstrukturen, das zwischen zwei optischen Komponenten angeordnet ist und einen gemeinsamen Zuführungspunkt besitzt;
• 6 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements umfassend drei optische Wellenleiterstrukturen in geschlossener Ausführung, das zwischen zwei optischen Komponenten angeordnet ist und einen gemeinsamen Zuführungspunkt sowie ein Auslasselement besitzt;
• 7 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das eine Schutzstruktur aufweist;
• 8 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das eine optische Wellenleiterstruktur mit unterschiedlich ausgeführten Abschnitten aufweist;
• 9 und 10 jeweils ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des optischen Wellenleiterbauelements gemäß 1 vor dem Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials in perspektivischer Darstellung (9) und als Querschnitt (10);
• 11 eine Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Aufnahme des optischen Wellenleiterbauelements gemäß 1 nach dem Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials in perspektivischer Ansicht;
• 12 und 13 jeweils eine REM-Aufnahme des optischen Wellenleiterbauelements gemäß 3 vor (12) bzw. nach (13) dem Einbringen des mindestens einen Mantelmaterials in Draufsicht; und
• 14 und 15 jeweils eine REM-Aufnahme von drei optischen Wellenleiterbauelementen gemäß 1 vor (14) bzw. nach (15) dem Einbringen des mindestens einen Mantelmaterials in perspektivischer Ansicht.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• Die 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements. Die als Freiformstruktur dargestellte optische Wellenleiterstruktur 10 löst sich, ausgehend von einer optischen Koppelstelle 70 des sich auf einem optischen Substrat 110 befindlichen optischen Wellenleiters 120 nach oben ab und wird von einer sich in den Nähe befindenden Führungsstruktur 20 umgeben. Die optische Wellenleiterstruktur 10 ist in einem Bereich, in dem eine Ablösung der optischen Wellenleiterstruktur 10 von dem optischen Substrat 110 erfolgt, von der Führungsstruktur 20 umgeben, die es ermöglicht, wie in 1 nur einen unteren Abschnitt 10a der optischen Wellenleiterstruktur 10 und das optische Substrat 110 oder wie in 2 nur einen mittleren Abschnitt 10a der optischen Wellenleiterstruktur 10 mit einem Mantelmaterial 30 zu bedecken, während weitere Abschnitte 10b, 10c der optischen Wellenleiterstruktur 10 nicht von dem Mantelmaterial 30 umgeben sind. Damit wird es vorzugsweise möglich, den Brechungsindexkontrast in den unterschiedlichen Abschnitten 10a, 10b, 10c der optischen Wellenleiterstruktur 10 an die jeweiligen Anforderungen anzupassen und zu optimieren. Das flüssig oder fest eingebrachte Mantelmaterial 30 füllt einen Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 zumindest teilweise aus. Die gesamte Anordnung kann, wie in den 1 und 2 gezeigt, ohne ein weiteres Mantelmaterial betrieben werden, um einen größtmöglichen Brechungsindexkontrast in den Wellenleiterabschnitten 10c und 10b zu ermöglichen. Alternativ kann die gesamte Struktur global von einem weiteren Mantelmaterial (nicht gezeigt) überdeckt sein, das sich im Brechungsindex vom Mantelmaterial 30 unterscheidet.
• Wie 2 zeigt, kann die Führungsstruktur 20 einerseits zusätzliche Stützstrukturen 20a, die insbesondere zur Stabilisierung der Führungsstruktur 20 eingerichtet sind, und andererseits Fluidstopps 60, die zur Füllung des Raumbereichs zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 bis zu einer vorgegebenen Stelle eingerichtet sind, aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Mantelmaterial 30 im flüssigen Zustand unter Ausnutzung von Kapillarkräften in den Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 eingebracht werden und dann selbständig aushärten oder, vorzugsweise durch ein optisches Verfahren oder ein thermisches Verfahren, ausgehärtet werden.
• 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das zwischen zwei optischen Komponenten 110a, 110b angeordnet ist. Hierin ist beispielhaft eine lokalisierte Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur 10 mittels des Mantelmaterials 30 dargestellt, das im Bereich der Koppelstellen 70a, 70b in direktem Kontakt mit den optischen Komponenten 1 10a, 110b steht. Die optische Wellenleiterstruktur 10 verbindet die beiden optischen Wellenleiter 120a, 120b der beiden optischen Komponenten 110a, 110b und wird von der Führungsstruktur 20, die entlang der Trajektorie der optische Wellenleiterstruktur 10 verläuft, zumindest teilweise umhüllt. Wie weiterhin dargestellt, können an beiden Enden Fluidstopps 60a, 60b eingesetzt werden, um eine unerwünschte Ausbreitung eines flüssigen Mantelmaterials 30 aus der Führungsstruktur 20 auf die Oberfläche der optischen Komponenten 110a, 110b zu vermeiden. Somit kann eine ungewünschte Überdeckung der übrigen Fläche des optischen Substrats 110 vermieden und nur der Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 gezielt ausgefüllt werden. Insbesondere zur Überbrückung von tiefen Spalten zwischen zwei auf dicken optischen Substraten 110 eingerichteten optischen Komponenten 110a, 110b ermöglicht die Führungsstruktur 20 weiterhin eine möglichst symmetrische Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur 10 mittels des aufgebrachten Mantelmaterials 30, das ansonsten nicht in der Nähe der optischen Wellenleiterstruktur 10 verbleiben würde. Mit Hilfe der Führungsstruktur 20 lässt sich die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise definieren. Damit wird es möglich, den Mantelbereich so auszugestalten, dass er abgesehen von den unvermeidlichen Verankerungen an den optischen Komponenten 110a, 110b keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung aufweist. Somit lassen sich die von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkenden Kräfte weitgehend minimieren und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung des Wellenleiterkerns vermeiden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Führungsstruktur 20 derart ausgestaltet, dass sich eine symmetrische Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur 10 durch das Mantelmaterial 30 ergibt, so dass auch innerhalb des Mantelmaterials 30 beispielsweise in Folge eines Aushärte- und eines damit verbundenen Schrumpfungsprozesses auftretende Kräfte weitgehend kompensieren, ohne die Wellenleiterstruktur 10 zu deformieren.
• Die in den 1 bis 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsformen lassen sich in vielfältiger Hinsicht modifizieren. So bleibt in den 1 bis 3 ein Querschnitt der optischen Wellenleiterstruktur 10 entlang einer Propagationsrichtung erhalten. Abweichend davon ist es auch möglich, Form und/oder Größe des Querschnittes entlang der Trajektorie zu ändern und beispielsweise kontinuierlich von einer runden in eine elliptische, quadratische, rechteckige oder anderweitige Form zu überführen. Diese Form lässt sich insbesondere an die Querschnitte und die Modenfeldprofile der optischen Koppelstellen 70a, 70b der jeweils anzubindenden optischen Komponenten 110a, 110b anpassen, um auf diese Weise eine möglichst effiziente Kopplung zu erreichen. Weiterhin muss das Profil der Führungsstruktur 20 in 3 nicht zwangsläufig über die gesamte Länge konstant bleiben, sondern kann sich entlang einer beliebigen Trajektorie zwischen den optischen Substraten 110 der beiden optischen Komponenten 110a, 110b ändern. Letztlich sind beliebige Formen und Geometrien zur Ausführung der Stützstrukturen 20a denkbar, die insbesondere an die Gegebenheiten der optischen Komponenten 110a, 110b angepasst werden können. In bevorzugten Ausführungsformen kann beispielsweise eine genaue Position der durch die optischen Wellenleiterstruktur 10 zu verbindenden optischen Komponenten 110a, 110b sowie deren optische Koppelstellen 70a, 70b nicht von vorne herein bekannt sein, sondern erst kurz vor dem Druckprozess durch geeignete Messverfahren ermittelt und dann zum Entwurf einer möglichst verlustarmen Wellenleitertrajektorie bzw. Wellenleitergeometrie der optischen Wellenleiterstruktur 10 herangezogen werden. Daher ist es nicht ohne weiteres möglich, vorab eine Struktur zu ermitteln, mit der sich eine symmetrische Ummantelung einer beliebigen optischen Wellenleiterstruktur 10, die als Freiformstruktur vorliegt, mit einem Mantelmaterial 30 erreichen lässt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann daher die Form der Führungsstruktur 20 von der Trajektorie der zu umhüllenden optischen Wellenleiterstruktur 10 abgeleitet werden. Wie in 4 schematisch gezeigt, kann es in weiteren Ausführungsformen auch vorteilhaft sein, mehrere, zumindest abschnittsweise näherungsweise parallel verlaufende optische Wellenleiterstrukturen 11, 12, 13 mit einer gemeinsamen Führungsstruktur 20 zu umgeben, die zur präzisen Aufbringung eines gemeinsamen Mantelmaterials 30 eingerichtet ist.
• 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das zwischen zwei optischen Komponenten 110a, 110b angeordnet ist. Anhand dieser Darstellung lässt sich zudem auch das zugehörige Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements erläutern. In einem ersten Schritt werden die optischen Teilwellenleiterstrukturen 11, 12, 13, die gemeinsam die Wellenleiterstruktur 10 ausbilden, mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens hergestellt und dabei bevorzugt jeweils an Position und Orientierung der optischen Koppelstellen 70a, 70b, 70c der optischen Komponente 110a bzw. der optischen Koppelstellen 70d, 70e, 70f der optischen Komponente 110b angepasst. Hieran anschließend erfolgt eine Herstellung mindestens einer Teilstruktur 21, 22, 23, die gemeinsam die Führungsstruktur 20 ausbilden, in der Nähe des jeweiligen Teilwellenleiterstrukturen 11, 12, 13 mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens. Eine Einbringung des Mantelmaterials 30 kann an einem einzelnen Zuführungspunkt 100 erfolgen, der mittels einer Öffnung 101 zum Zuführungspunkt 100 die gezielte Verteilung des Mantelmaterials 30 erlaubt. Alternativ (nicht dargestellt) sind auch mehrere Zuführungspunkte 100 möglich. Über gemeinsame Zuführungsstrukturen 50 kann das flüssige Mantelmaterial 30 zu jeder Teilstruktur 21, 22, 23 der Führungsstruktur 20 transportiert werden, um somit eine möglichst symmetrische Umhüllung der zugehörigen optischen Wellenleiterstrukturen 11, 12, 13 zu erreichen. Die gemeinsamen Zuführungsstrukturen 50 dienen als Netzwerk zur festgelegten Verteilung des Mantelmaterials 30 auf den Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 und erlauben es, das Aufbringen des Mantelmaterials 30 möglichst effizient zu gestalten. In der Ausführungsform gemäß 5 sind die Führungsstruktur 20 und die gemeinsamen Zuführungsstrukturen 50 oben offen gestaltet.
• 6 zeigt eine alternative Ausführungsform, die eine nach außen räumlich abgeschlossene Führungsstruktur 20 und Zuführungsstrukturen 50 umfasst. Zusätzlich zu dem gemeinsamen Zuführungspunkt 100 können diese Strukturen auch über ein gemeinsames Auslasselement 80 verfügen, über dessen Öffnung 81 zum Auslasselement 80 überflüssiges Mantelmaterial 30 austreten kann. Insbesondere kann das Auslasselement 80 beim Befüllen eines geschlossenen Raumbereichs die Funktion eines Überdruckventils übernehmen. Im Allgemeinen kann das Mantelmaterial 30 im flüssigen Zustand belassen oder optional nach dem Befüllen der Führungsstruktur 20 ausgehärtet und damit die im Material eingebettete mindestens eine optische Wellenleiterstruktur 10 zusätzlich stabilisiert werden, beispielsweise gegen äußere mechanische Einflüsse oder Umwelteinflüsse.
• 7 zeigt beispielhaft, wie die mehrere Abschnitte 10d, 10e, 10f, 10g umfassende optische Wellenleiterstruktur 10 im Abschnitt 10d vor einer ungewollten Einbettung durch das Mantelmaterial 30 geschützt werden kann. Dies kann, wie 7 verdeutlicht, z.B. im Falle einer Wellenleiterverzweigung eines Polarisationsstrahlteilers sinnvoll sein, für die im Abschnitt 10d ein im Vergleich zu den übrigen Abschnitten 10e, 10f, 10g lokal erhöhter Brechungsindexkontrast besonders vorteilhaft ist. Zu diesem Zweck wird hier um den Abschnitt 10d eine Schutzstruktur 20b als Teil der Führungsstruktur 20 angebracht, die einen geschützten Raumbereich 35 erzeugt, der nicht von dem Mantelmaterial 30 gefüllt wird. Die anderen Teile der Führungsstruktur 20 umschließen hier weiterhin die gesamte Anordnung, insbesondere auch die Schutzstruktur 20b derart, dass bei der Befüllung mit dem Mantelmaterial 30 nur die Abschnitte 10e, 10f, 10g umschlossen werden.
• 7 zeigt weiterhin beispielhaft, wie eine durchgehend einmodige Struktur mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens hergestellt werden kann. Bei dem zur Herstellung verwendeten Lithographieverfahren findet eine Polymerisationsreaktion in einem einen Fokuspunkt 310 eines Lithographiestrahls 300 umgebenden Raumbereich 320, einem sog. Voxel, statt, der eine entlang einer Strahlachse 330 ausgedehnte, von der numerischen Apertur des jeweils verwendeten Objektivs abhängige ellipsoidale Form aufweist. Bei Zweiphotonenlithographie mit einer häufig verwendeten Lithographie-Wellenlänge von 780 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 1,4 liegt die entlang der Strahlachse 330 des Lithographiestrahls 300 gemessene Länge d₁ des Voxels typischerweise zwischen 1 µm und 2 µm, während die senkrecht dazu gemessene Breite d₂ typischerweise weniger als 500 nm beträgt. Gleichzeitig liegt bei einem im Abschnitt 10d der Wellenleiterstruktur 10 von Luft (Brechungsindex 1,0) umgebenen Wellenleiterkern mit einer Betriebswellenlänge von 1,5 µm, einem Brechungsindex von 1,5 und einer runden Querschnittsfläche die Grenze zur Mehrmodigkeit bei einem Radius von ca. 500 nm. Die einmodige Ausgestaltung des von Luft umgebenen Abschnitts 10d der Wellenleiterstruktur 10 wird dadurch möglich, dass dessen Achse 340d im Wesentlichen parallel zur Strahlachse 330 des Lithographiestrahls 300 orientiert ist. Die Formulierung „im Wesentlichen parallel“ bezieht sich hierbei auf Fälle, bei denen die lokale Richtung der Achse 340d der Wellenleiterstruktur mit der Strahlachse 330 einen Winkel von bevorzugt weniger als 45°, besonders bevorzugt weniger als 30°, und ganz besonders bevorzugt weniger als 25° oder 20° einschließt. Für die Abschnitte 10e, 10f der Wellenleiterstruktur 10, deren Achsen 340e, 340f lokal senkrecht oder in einem großen Winkel zum Lithographiestrahl orientiert sind, kann die Einmodigkeit nur durch eine lokale Einbettung in das hochbrechendes Mantelmaterial 30 erreicht werden.
• In 8 ist beispielhaft dargestellt, wie sich verschiedene Mantelmaterialien 30a, 30b für verschiedene Abschnitte 10i, 10j der optischen Wellenleiterstruktur 10 zur lokalen Überdeckung einsetzen lassen. Die als Freiformstruktur erzeugte optische Wellenleiterstruktur 10 löst sich, ausgehend von der optischen Koppelstelle 70a an einem dem optischen Substrat 110 zugeordneten optischen Wellenleiter 120a nach oben ab und wird in der Nähe des Abschnitts 10i von einer ersten Teilstruktur 21 der Führungsstruktur 20 umgeben. Die optische Wellenleiterstruktur 10 folgt einer beliebigen Trajektorie, bevor sie über die, sich nicht notwendigerweise auf demselben optischen Substrat 110 befindliche weitere optische Koppelstelle 70b erneut mit einem optischen Wellenleiter 120b verbunden wird. Der weitere Abschnitt 10j der optischen Wellenleiterstruktur 10 wird von einer weiteren Teilstruktur 22 der Führungsstruktur 20 umhüllt. Durch das Einbringen zweier unterschiedlicher Mantelmaterialien 30a, 30b kann in den beiden Abschnitten 10i, 10j der optischen Wellenleiterstruktur 10 innerhalb der jeweiligen Teilstrukturen 21, 22 der Führungsstruktur 20 ein unterschiedlicher Brechungsindexkontrast erzielt werden. Ein mittlerer Abschnitt 10h wird in diesem Ausführungsbeispiel nicht von dem Mantelmaterial 30 bedeckt - damit kann im Bereich des stark gekrümmten Wellenleiterabschnittes 10h ein hoher Indexkontrast erzielt werden, der beispielsweise die Lichtausbreitung in Form eines sog. „Flüster-Galerie-Modus“ (engl. „Whispering-Gallery-Mode“) erlaubt.
• Die 9 bis 15 zeigen drei bevorzugte Beispiele, welche die Funktionsfähigkeit der vorliegenden Erfindung belegen.
• Ein erstes Beispiel, welches sich auf das optische Wellenleiterbauelement gemäß 1 bezieht, ist in den 9 bis 11 dargestellt. Hierbei zeigen die 9 und 10 jeweils ein bevorzugtes Beispiel des optischen Wellenleiterbauelements gemäß 1 vor dem Einbringen des Mantelmaterials 30 in perspektivischer Darstellung (9) und als Querschnitt (10), während 11 eine REM-Aufnahme nach dem Einbringen des Mantelmaterials 30 in perspektivischer Ansicht zeigt. Die durch Multiphotonenlithographie als Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erzeugte optische Wellenleiterstruktur 10 verbindet den planar integrierten optischen Wellenleiter 120 auf dem Substrat 110 einer optischen Komponente über die optische Koppelstelle 70 mit einer, mit demselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erzeugten optischen Linse 200, welche über Stützfüße 20c ausgerichtet wird. Das optische Wellenleiterbauelement umfasst ferner die Führungsstruktur 20, die ebenfalls mit dem genannten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt wurde. Zur lokalen Brechungsindexanpassung im unteren Bereich der optische Wellenleiterstruktur 10 wird das flüssig eingefüllte Mantelmaterial 30 aufgebracht, welches die Wellenleiterstruktur 10 umschließt, ohne die refraktive Fläche 210 der optischen Linse 200 zu überdecken. Die Führungsstruktur 20 dient hierbei der Zuführung des Mantelmaterials 30, welches über eine Öffnung 25 in der Führungsstruktur 20 unter Ausnutzung des Kapillareffekts in diese eindringen und bis zu einer durch den Fluidstopp 60 festgelegten Höhe ausfüllen kann. Somit ist eine lokale Überdeckung der optischen Wellenleiterstruktur 10 möglich, ohne die angrenzende optische Komponente, hier die angrenzende optische Linse 200, zu umhüllen und damit die Brechkraft an der refraktiven Fläche 210 der optischen Line 200 herabzusetzen.
• Ein zweites Beispiel, welches sich auf das optische Wellenleiterbauelement gemäß 3 bezieht, ist in den 12 und 13 dargestellt. Hierbei zeigen die 12 und 13 jeweils eine REM-Aufnahme des optischen Wellenleiterbauelements gemäß 3 vor ( 12) bzw. nach (13) dem Einbringen des Mantelmaterials 30 in Draufsicht. Hierbei werden die beiden optische Komponenten 110a, 110b mit der mittels eines Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erzeugten optischen Wellenleiterstruktur 10 verbunden, die von dem Mantelmaterial 30 lokal symmetrisch umgeben ist. Die Form und Trajektorie der optischen Wellenleiterstruktur 10 ist hierbei möglichst gut an die Position und Orientierung der optischen Koppelstellen 70a, 70b der optischen Wellenleiter 120a, 120b, die sich auf den jeweiligen optischen Komponenten 110a, 110b befinden, angepasst. Die dreidimensionale Geometrie der Führungsstruktur 20 wird aus der dreidimensionalen Trajektorie der optischen Wellenleiterstruktur 10 abgeleitet und an einer Seite durch Stützstrukturen 20a an der optischen Komponente 110a verankert. Damit wird es mit Hilfe der Führungsstruktur 20 möglich, die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise zu definieren und ihn so auszugestalten, dass er abgesehen von unvermeidlichen Verankerungspunkten an den optischen Komponenten 1 10a, 110b keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung wie z.B. anderen optischen Bauteilen oder Montageplatten („Submounts“) aufweist. Dies führt dazu, dass die von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkenden Kräfte weitgehend minimiert und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung der Wellenleiterstruktur 10 vermieden wird. Das flüssig eingefüllte Mantelmaterial 30 kann im Anschluss aushärten oder ausgehärtet werden und umschließt die optische Wellenleiterstruktur 10 entlang der gesamten Trajektorie nahezu symmetrisch, trotz möglicher vorhandener Spalten zwischen den optischen Komponenten 110a, 110b. Das Drucken sowohl der optischen Wellenleiterstruktur 10 als auch der Führungsstruktur 20 einschließlich der Stützstrukturen 20a und des Fluidstopps 60 erfolgte in diesem Beispiel mittels direktschreibender Mehrphotonenlithographie.
• Ein drittes Beispiel, welches sich auf das optische Wellenleiterbauelement gemäß 1 bzw. 7 bezieht, ist in den 14 und 15 dargestellt. Hierbei zeigen die 14 und 15 jeweils eine REM-Aufnahme von drei optischen Wellenleiterbauelementen gemäß 1 vor (14) bzw. nach (15) dem Einbringen des Mantelmaterials 30. Hierbei umfasst jede optische Wellenleiterstruktur 10 die drei Abschnitte 10b, 10c, 10d die für eine möglichst optimale Funktion einen unterschiedlichen Brechungsindexkontrast zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der jeweiligen Umgebung erfordern. Hierzu sind die beiden in den Abschnitten 10b, 10c befindlichen Zuführungsbereiche der optischen Wellenleiterstruktur 10 von dem Mantelmaterial 30 umgeben, während der sich in Abschnitt 10d befindliche Polarisationsstrahlteiler einen höheren Indexkontrast aufweisen soll und sich daher idealerweise in Luft befindet. Die die Abschnitte 10b, 10c umgebende Führungsstruktur 20 dient gleichzeitig der Zuführung des Mantelmaterials 30, welches über Öffnungen 25 in der Führungsstruktur 20 in den Raumbereich zwischen der Führungsstruktur 20 und der optischen Wellenleiterstruktur 10 eindringen und den Raumbereich bis zu einer durch die Fluidstopps 60 festgelegten Höhe ausfüllen kann. Somit ist in jedem optischen Wellenleiterbauelement eine lokale Überdeckung der beiden Abschnitte 10b, 10c möglich, während weder der als Polarisationsstrahlteiler ausgelegte Abschnitt 10d der optischen Wellenleiterstruktur 10 noch die daran angeschlossene, in Form einer optischen Linse 200 vorliegende optische Komponente von dem Mantelmaterial 30 umhüllt sind. Das Drucken der Wellenleiterstruktur 10, der Führungsstruktur 20 einschließlich der Fluidstopps 60 sowie der optischen Linse 200 einschließlich der Stützfüße 20c erfolgte in diesem Beispiel mittels direktschreibender Mehrphotonenlithographie. Dabei ist die in 7 gezeigten Strahlachse 330 des Lithographiestrahls 300 senkrecht zur Oberfläche des optischen Substrats 110 und damit im Wesentlichen parallel zur Achse der optischen Wellenleiterstruktur in Abschnitt 10d orientiert, so dass trotz einem entlang der Strahlachse 330 des Lithographiestrahls 300 verlängerten Voxels eine hochauflösende Strukturierung der Wellenleiterstruktur im Abschnitt 10d möglich wird. Damit wird es möglich, die gezeigte Struktur durchgehend einmodig mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens herzustellen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beziehen sich die in den 14 und 15 angegebenen Bezugszeichen lediglich auf das dort dargestellte mittlere optische Wellenleiterbauelement, können jedoch in analoger Weise auf die beiden anderen optischen Wellenleiterbauelemente übertragen werden.
• Bezugszeichenliste

10

optische Wellenleiterstruktur

10a-10j

Abschnitt (einer optischen Wellenleiterstruktur)

11, 12, 13

weitere optische Wellenleiterstruktur

20

Führungsstruktur

20a

Stützstruktur

20b

Schutzstruktur

20c

Stützfüße

21, 22, 23

-Teilstruktur (der Führungsstruktur)

25

Öffnung (in Führungsstruktur)

30, 30a, 30b

Mantelmaterial

35

geschützter Raumbereich

50

gemeinsame Zuführungsstrukturen

60, 60a, 60b

Fluidstopp

70, 70a-70f

optische Koppelstelle

80

Auslasselement

81

Öffnung (zum Auslasselement 100 Zuführungspunkt

101

Öffnung (zum Zuführungspunkt)

110

optisches Substrat

110a,110b optische

Komponente

120, 120a-120f

optischer Wellenleiter

200

Optische Linse

210

refraktive Fläche

300

Lithographiestrahl

310

Fokuspunkt

320

Raumbereich (Voxel)

330

Strahlachse

340, 340d-340f

Achse der Wellenleiterstruktur

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 8903205 B2 [0003]
• US 9034222 B2 [0003]
• EP 3162549 A1 [0004]

Claims (24)

1. Optisches Wellenleiterbauelement, umfassend - mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10), die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist; - mindestens eine Führungsstruktur (20), die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10); und - mindestens ein Mantelmaterial (30), das einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) zumindest teilweise ausfüllt.
2. Optisches Wellenleiterbauelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das mindestens eine Mantelmaterial (30) eine Materialabsorption von mindestens 5 dB/mm bei einer Betriebswellenlänge des Wellenleiterbauelements aufweist.
3. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) nicht unmittelbar an die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10) angrenzt.
4. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste dreidimensionale Freiformstruktur mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens und/oder die zweite dreidimensionale Freiformstruktur mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens hergestellt ist.
5. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) und/oder das mindestens eine Mantelmaterial (30) zur mechanischen Stabilisierung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) eingerichtet sind.
6. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10) - mindestens einen ersten Abschnitt (10a), der von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist, und mindestens einen zweiten Abschnitt (10b) aufweist, der nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist; oder - mindestens zwei Abschnitte (10a, 10b) aufweist, die von unterschiedlichen Mantelmaterialien (30a, 30b) umgeben sind; oder - symmetrisch von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist.
7. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens ein optisches Substrat (110), wobei zumindest die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10) und/oder die mindestens eine Führungsstruktur (20) auf dem mindestens einen optischen Substrat (110) aufgebracht ist.
8. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (20), abgesehen von der Verankerung mit dem mindestens einen optischen Substrat (110), nicht an ein anders Element des optischen Wellenleiterbauelements angrenzt.
9. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10) mindestens einen ausgezeichneten Wellenleiterabschnitt (10d) aufweist, in dem der Wellenleiterkern nicht von dem Mantelmaterial (30) umgeben ist.
10. Optisches Wellenleiterbauelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei eine Achse der Wellenleiterstruktur (340d) des mindestens einen ausgezeichneten Wellenleiterabschnitts (10d) im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des optischen Substrats (110) angeordnet ist.
11. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das optische Wellenleiterbauelement für eine durchgehend einmodige Lichtführung entlang der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) eingerichtet ist.
12. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) ferner - mindestens eine Stützstruktur (20a) umfasst, die zur mechanischen Fixierung der mindestens einen Führungsstruktur (20) eingerichtet ist; und/oder - mindestens einen Fluidstopp (60) umfasst, der zur Begrenzung des mindestens einen Mantelmaterials (30) auf einen Teilbereich des Raumbereichs zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) eingerichtet ist.
13. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (20) mindestens zwei Teilstrukturen (21, 22) aufweist, und wobei eine gemeinsame Zuführungsstruktur (50) vorliegt, die dazu eingerichtet ist, den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und den mindestens zwei Teilstrukturen (21, 22) über einen gemeinsamen Zuführungspunkt (100) zu befüllen.
14. Optisches Wellenleiterbauelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die gemeinsame Zuführungsstruktur (50) mit einem Auslasselement (80) verbunden ist, das dazu eingerichtet ist, einen Druck des mindestens einen flüssigen Mantelmaterials (30) in der mindestens einen Zuführungsstruktur (20) zu begrenzen.
15. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das optische Wellenleiterbauelement - ein optisches Koppelelement ist oder umfasst, wobei das optische Koppelelement dazu eingerichtet ist, Licht zwischen zwei optischen Komponenten (110a, 110b) oder zwischen einer optischen Komponente (1 10a) und einem Freistrahlabschnitt zu übertragen, und/oder - ein Polarisationsstrahlteiler ist oder umfasst.
16. Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterbauelements, insbesondere eines optischen Wellenleiterbauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: a) Herstellen mindestens einer optischen Wellenleiterstruktur (10), die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens; b) Herstellen mindestens einer Führungsstruktur (20), die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens; und c) Einbringen mindestens eines Mantelmaterials (30) in einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und der mindestens einen Führungsstruktur (20).
17. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das erste Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren und das zweite Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren identisch sind und/oder gemeinsam ausgeführt werden.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das erste Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren und/oder das zweite Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren ein Lithographieverfahren ist, ausgewählt aus Stereolithographie, insbesondere mittels Flächenlichtmodulatoren, oder aus direktschreibender Laserlithographie, insbesondere Mehrphotonenpolymerisation.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei eine dreidimensionale Geometrie der zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur der mindestens einen Führungsstruktur (20) aus einer dreidimensionalen Trajektorie der ersten dreidimensionalen Freiformstruktur der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) abgeleitet ist und/oder entlang einer Ausbreitungsrichtung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) mit variabler Querschnittsfläche erzeugt wird.
20. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das mindestens eine Mantelmaterial (30) zu einem Zeitpunkt des Einbringens flüssig ist und anschließend aushärtet oder ausgehärtet wird.
21. Verfahren nach dem vorangehenden Verfahrensanspruch, wobei das Einbringen des mindestens einen flüssigen Mantelmaterials (30) in den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) mittels Kapillarkräften erfolgt, die zwischen dem mindestens einen flüssigen Mantelmaterial (30) und der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) oder der mindestens einen Führungsstruktur (20) wirken.
22. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials (30) in den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) derart erfolgt, dass die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10) mindestens einen Wellenleiterabschnitt (10d) aufweist, in dem der Wellenleiterkern nicht von dem Mantelmaterial (30) umgeben ist.
23. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei mindestens eine Schutzstruktur (20b) als Teil der mindestens einen Führungsstruktur (20) derart um einen von dem mindestens einen eingebrachten Mantelmaterial (30) zu schützenden Bereich auf einem Abschnitt (10d) der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) eingebracht wird, dass ein geschützter Raumbereich (35) entsteht, in dem kein Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials (30) erfolgt.
24. Verfahren nach dem vorangehenden Verfahrensanspruch, wobei die Achse des mindestens einen Wellenleiterabschnitts (10d) im Wesentlichen parallel zur Achse (330) eines Lithographiestrahls (300) orientiert ist, welcher zum Herstellen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) eingesetzt wird.

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