DE19543057A1 - Einem Wellenleiter in einer Polymerschicht überlagertes Gitterfilter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein einem Wellenleiter in einem Polymer überlagertes Gitterfilter mit ortsabhängigem Brechungsindex zur gleichmäßigen optischen Auskopplung eines Wellenlängenbereichs aus einem im Wellenleiter geführten Lichtstrahl und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung unter Verwendung eines direkt schreibenden Elektronenstrahls.

Polymerwellenleiter finden in der optischen Nachrichtentechnik zunehmende Verbreitung, da sie relativ unempfindlich und gut für die verlustarme Leitung von Laserlicht in einem Emissionsband von 1,55 µm geeignet sind. Dabei ist auf einen planaren Träger, beispielsweise aus Silizium, Quarzglas, Halbleitermaterial oder Polymer, eine photoempfindliche Wellenleiterschicht aus einem Polymer, beispielsweise aus Polymethylmethacrylat PMMA, mit einer üblichen Dicke von unter 10 µm aufgebracht. In diese Polymerschicht ist entweder durch eine maskenbasierende Belichtung mit UV-Strahlung oder durch eine direktschreibende Belichtung mit Teilchenstrahlung ein länglicher Wellenleiter mit angenähert rechteckigem Querschnitt strukturiert. Die Belichtung ruft eine stoffliche Umwandlung, d. h. eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung des den Wellenleiter definierenden Polymers hervor. Dadurch ist jeweils der Brechungsindex im Bereich des strukturierten Wellenleiters ortsabhängig erhöht, so daß eine Lichtführung durch Totalreflexion erfolgen kann. Zur Auskopplung einzelner Wellenlängen aus dem geführten Lichtstrahl werden Gitterfilter verwendet, die in die Polymerschicht integriert und dem Wellenleiter überlagert sind. Diese wirken durch ihren Aufbau wie eine parallele Reihe halbdurchlässiger, schmaler Spiegelstreifen, die entsprechend der durch die Gitterparameter vorgegebenen Filtercharakteristik kontinuierlich den gewünschten Lichtanteil auskoppeln. Alle bisher bekannten überlagerten Gitterfilter werden durch lithographische, d. h. relieferzeugende Verfahren hergestellt.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird beschrieben in dem Aufsatz "Efficient Focusing and Beam Shaping Grating Couplers into Polymer Waveguides" von R. Waldhäusl et al. Jena, Deutschland (Technical Digest IOOC-95-lntern. Conf. on Integrated Optics and Optical Fiber Communication-, ThB2-2, pp 42-45). Das hieraus bekannte Gitterfilter in einer PMMA-Schicht weist eine reliefartige Oberfläche mit Gitterstegen und zwischen liegenden Rillen mit unterschiedlicher Tiefe auf. Die ortsabhängigen Brechungsindizes werden durch die Abwechslung zwischen Material und Luft realisiert und führen zu jeweils großen und sprunghaften Brechungsindexänderungen. Dabei werden die Rillen durch assistierende Elektronenstrahl-Lithographie mit einem variabel formbaren Elektronenstrahl hergestellt, bei der das elektronenstrahlbelichtete Polymer durch ein reaktives Gas geätzt wird, so daß Materialteilchen aus der Oberfläche der Polymerschicht herausgeschnitten werden. Hierbei handelt es sich um einen Trockenätzprozeß. Durch Ätzvorgänge wird das Material einem chemischen Angriff ausgesetzt, der Inhomogenitäten im Material, insbesondere Rauhigkeiten an den Gitterstegflanken, und andere interne Vorgänge hervorrufen kann. Derartige Störungen können zu inneren Verlusten bei der Lichtauskopplung führen.

Aus dem Aufsatz "Realization of Integrated Bragg Reflectors in DANS-Polymer Waveguides" von S. Aramaki et al. (Journal of Lightwave Technology, Vol. 11, No.7, July 93, pp. 1189-1195) ist ein Gitterfilter bekannt, dessen durch trockenes lonenstrahl-Ätzen reliefartig ausgebildete Oberfläche durch Ausfüllen der Rillen mittels Aufschleudern eines Polymerüberzuges wieder geglättet wird. Weiterhin wird hier beschrieben, daß die Filtercharakteristik eine thermooptische Nichtlinearität, d. h. eine Abhängigkeit des örtlichen Brechungsindex von der Temperatur, aufweisen kann. Eine Erhöhung der Intensität der Eingangsstrahlung kann zu einer sprungartigen Erhöhung der Filterdurchlässigkeit führen, also einen Umschaltvorgang bewirken. Nachgewiesen wurde diese Nichtlinearität in Versuchen durch Vorsehen eines Heizelements.

Der Aufsatz "Novel Computer designed Waveguide Grating Structures with optimised Reflection Characteristics" von M. Wilkinson et al. (Electronics Letters 13.08.92, Vol. 28, No. 17, pp 1660-1661) offenbart ein Gitterfilter mit abschnittsweise festgelegten Gitterparametern, das eine Rillenstruktur mit ungefähr 0,25 µm tiefen Rillen aufweist. Diese Rillen werden durch nasses Ionen-Ätzen durch eine zuvor in mehreren Verfahrensschritten durch Elektronenstrahl-Belichtung hergestellte Maske hindurch in einen Quarzträger eingeätzt. Das fertiggestellte Gitterfilter wird einer abgeflachten Faser überlagert, die in ein Polymer-Substrat eingelagert ist. Zu den bereits genannten Nachteilen beim Trocken-Ätzen können beim Naß-Ätzen auf Maskenbasis noch Maßungenauigkeiten in der Rillenstruktur hinzukommen.

In dem Aufsatz "400-Å high Aspect-ratio Lines produced in Polymethyl Methacrylate (PMMA) by lon-beam Exposure" von I.Karapiperis et al. (Appl.Phys. Lett. 35(5), 01.09.79, pp. 395-397) wird die Herstellung von reliefartig ausgebildeten Filtergittern mit 0,45 µm Periode durch assistierendes, d. h. von Trockenätzen begleitetes Ionenstrahl-Schneiden durch eine winkelgetreue, holographisch erzeugte Goldmaske beschrieben. Dieses Verfahren wird hier angewendet, da nach Aussage der Autoren bei Einsatz von Elektronenstrahl-Lithographie die durch Elektronenstreuung im Photolack und im Substrat erreichbare minimale Linienbreite begrenzt ist und die Empfindlichkeit von PMMA gegenüber Elektronen 50mal geringer ist als gegenüber Ionen. Trotzdem wird auf die Vorzüge der Verwendung von Elektronenstrahlen hingewiesen, insbesondere auf das Entfallen jeglicher Zwischenmasken, auf die hohe Auflösung und die mögliche Computersteuerung für schwierige Muster.

Aus dem Aufsatz "Apodisation of the Spectral Response of Fibre Bragg Gratings using a Phase Mask with variable Diffraction Efficiency" von J. Albert et al. (Electronics Letters 02.02.95, Vol.31, No.3, pp. 222-223) ist es bekannt, ein linienförmiges Gitterfilter mit variablem Brechungsindex ohne Relieferzeugung in eine optische Glasfaser zu integrieren. Dieses erfolgt durch UV-Belichtung der Kernschicht durch eine vorgefertigte Phasenmaske mit variabler Brechungsindex-Effektivität. Die erzeugten lokalen Brechungsindexänderungen erstrecken sich entlang der Faserachse und weisen eine gitterähnliche Struktur auf.

Schließlich wird in dem Tutoren-Konferenzbericht "Photosensitivity and its Application to Optical Fiber Communication" von K. Hill et al. (Optical Fiber Communication Conference, San Diego 1995, pp. 146-193) die Integration von Gitterfiltern in den Kern von Glasfasern mit holographischen Verfahren (Zweistrahlinterferenz) und mit faserinternen Verfahren beschrieben.

Aus dem beschriebenen Stand der Technik zeichnet sich im Zusammenhang mit dem eingangs genannten Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, die ihr zugrundeliegende Problematik ab. Im Hinblick auf die Gestaltung eines einem Wellenleiter überlagerten Gitterfilters steht insbesondere dessen bekannte reliefartige Oberflächenausbildung als Problem im Vordergrund. Diese kann die Integrationsfähigkeit des Gitterfilters in komplexere optische Schaltkreise behindern. Außerdem sind Maßnahmen zum Auffüllen der Rillen, beispielsweise Auffüllen mit einem Polymer, epitaktisches Kristallwachstum oder Aufdampfen bzw. Aufsputtern anderer Materialien, erforderlich, wenn der Brechungsindex der Rillen von dem von Luft verschieden sein soll, um den Sprung bei der Brechungsindexänderung verringern zu können. Derartige Probleme sollen bei der Erfindung vermieden sein. Die optimale Integrationsfähigkeit des optischen Bauteils soll ermöglicht werden. Dabei sollen die erforderlichen ortsabhängigen Brechungsindzes durch einfache materialinterne Änderungen realisiert und einfach einstellbar sein. Insbesondere bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen diese materialinternen Veränderungen einfach und ohne Zusatzmaßnahmen sowie kostengünstig, aber hochgenau und reproduzierbar herstellbar sein. Dabei sollen Automationsmöglichkeiten berücksichtigt werden können.

Die Aufgaben bei der Ausgestaltung eines einem Wellenleiter überlagerten Gitterfilters werden bei der Erfindung dadurch gelöst, daß das Gitterfilter als latentes Bild mit einer planaren Oberfläche ausgebildet ist und die den Wellenleiter definiererende Polymerschicht im Bereich des latenten Bildes des Gitterfilters ortsabhängig molekülverändertes Polymer mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist, wobei die Brechungsindexänderung kontinuierlich ist und im Bereich eines Tausendstels des Brechungsindex des Polymers liegt.

Die Strukturierung des Gitterfilters erfolgt bei der Erfindung nicht durch ein Relief, sondern durch ein "latentes Bild", d. h. durch eine dauerhafte Abbildung der Gitterparameter im Polymer, die dadurch einfach einstellbar sind. Durch die planare Gitterfilteroberfläche ist die Voraussetzung für eine einfache Integrationsmöglichkeit mit komplexen wellenleiterbasierenden Bauelementen, wie beispielsweise Schaltern oder polarisationsändernden Elementen, gegeben. Ohne die übliche "topographische" Veränderung des Polymers können mit den erfindungsgemäßen Gitterfiltern komplexe integriert-optische Schaltkreise realisiert werden. Die Abbildung der Gitterparameter ist bei der Erfindung durch die ortsabhängige Brechungsindexänderung infolge materialinterner Veränderungen realisiert. Hierzu sind jedoch keine zusätzlichen, implantierten Materialien vorhanden, sondern beispielsweise die im PMMA vorhandenen Molekülketten sind ortsabhängig in geeigneter Weise aufgespalten, so daß eine Brechungsindexänderung durch eine Verschiebung der Molekulargewichtsverteilung (kurze Molekülketten haben einen höheren Brechungsindex als lange) bewirkt ist. Dabei ist die Brechungsindexänderung durch eine kontinuierliche Materialbeeinflussung fließend gestaltet und relativ gering, so daß eine optimale Lichtauskopplung durch eine minimale und damit einfache Umgestaltung des Polymers gewährleistet ist. Durch die beliebig wählbare Strukturierung des erfindungsgemäßen Gitterfilters ist es möglich, sowohl gezielt einzelne Wellenlängen als auch Wellenlängenbereiche optimal auskoppeln zu können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Polymerschicht oberhalb des Gitterfilters mit einer Pufferschicht und einem darüber angeordneten thermischen Kontakt versehen. Die Pufferschicht besteht beispielsweise aus Teflon und dient zum einen dem Schutz der Gitterfilteroberfläche gegen Staub und mechanische Kräfte. Weil die Gitterfilteroberfläche erfindungsgemäß planar ist, kann das Teflon einfach aufgebracht werden. Darauf angeordnet ist ein thermischer Kontakt, der beispielsweise mit einer Heizelektrode oder einem Peltierelement verbunden ist. Im Wellenleiter bewirkt eine Temperaturveränderung eine zusätzliche Beeinflussung der Molekülketten. Damit verändert sich das ursprünglich eingestellte latente Gitterfilterbild durch Änderung des örtlichen Brechungsindex und damit die Filtercharakteristik des Gitterfilters. Die Auskopplungswellen länge kann gezielt eingestellt werden. Die beschriebene Anordnung realisiert damit ein durchstimmbares Gitterfilter und damit ein äußerst wichtiges und vielseitiges Bauelement in der optischen Nachrichtentechnik.

Nach der Beschreibung der körperlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäß einem Wellenleiter überlagerten Gitterfilters wird nachfolgend im Hinblick auf den bereits gewürdigten Stand der Technik, aus dem der Einsatz eines direkt schreibenden Elektronenstrahls in der Wellenleitertechnik bekannt ist, und im Hinblick auf die bereits angesprochene Problematik das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines einem Wellenleiter überlagerten Gitterfilters mit ortsabhängigem Brechungsindex zur gleichmäßigen optischen Auskopplung eines Wellenlängenbereichs aus einem im Wellenleiter geführten Lichtstrahl näher erläutert, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das latente Bild des Gitterfilters durch die ausschließliche Belichtung mit dem Elektronenstrahl direkt erzeugbar ist.

Das latente Bild wird einfach direkt in die Polymerschicht geschrieben. Wesentlich für dieses Verfahren ist damit, daß keine zusätzlichen Prozeßschritte zur Gitterfiltererzeugung notwendig sind. Insbesondere entfällt die Anwendung von trockenen oder nassen Ätztechniken, so daß die damit verbundenen Nachteile vermieden sind. Die Verlustmechanismen, wie beispielsweise Abstrahlungsverluste durch Vergrößerung der inneren Rauhigkeit und Herstellungsungenauigkeiten durch Maskenverwendung oder Schneidstrahlabweichungen, sind damit deutlich reduziert. Mit der Elektronenstrahl-Direktbelichtung können auch technisch anspruchsvolle Filter einfach hergestellt werden. Die Flexibilität bezüglich Gitterperiodizität, Wahl des Tastverhältnisses und Belichtungsdosisverteilung sowie die Wahl der Beschleunigungsspannung zur Einstellung des örtlichen Brechungsindex erlaubt auf einfache Weise auch verschiedene Gitterfilter in komplexen integriert­ optischen Schaltkreisen gleichzeitig und damit kostengünstig herzustellen. Dabei sorgt die in lateraler Richtung auftretende Streuung der Elektronen im Gitterfilterbereich zu einer die Ausmaße der Strahleindringfläche überschreitenden Brechungsindexveränderung und damit für den kontinuierlichen Übergang zu dem Brechungsindex der nichtbelichteten, weiter entfernten Flächen. Die relativ geringen Wechselwirkungen der Elektronen selbst bewirken dabei die erfindungsgemäß nur geringen Abweichungen des Brechungsindex von dem des Wellenleiters. Die Möglichkeiten, mit Elektronenstrahlen auch komplizierte Muster (Variation von Tastverhältnis und Gitterperiode sowie Gitterstruktur und -länge) mit Linienbreiten und -abständen im Mikro- und im Submikrometerbereich herstellen zu können, sowie eine computergesteuerte Automatisierung vornehmen zu können, fanden bereits Erwähnung. Hinzu kommt, daß es sich bei Elektronenstrahlanlagen zwar immer noch um relativ aufwendige Anlagen handelt, die aber im Vergleich zu Ionenstrahl-Anlagen jedoch schon weit fortentwickelt und damit trotz ihrer hohen Flexibilität und Schreibgenauigkeit relativ weit verbreitet sind.

Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Charakteristiken des latenten Bildes des Gitterfilters durch Nachbehandlungsschritte noch verstärkbar sind. Damit können im latenten Bild verdeckt vorhandene Bildinhalte als zusätzliche Teilinformationen noch genutzt werden. Bei solchen Nachbehandlungsschritten handelt es sich beispielsweise um das Tempern oder um das Behandeln mit einem chemischen Mittel.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung beschreibt die Möglichkeit, daß vor der direkten Erzeugung des latenten Bildes des Gitterfilters der Wellenleiter selbst durch die ausschließliche Belichtung mit dem Elektronenstrahl direkt erzeugbar ist. Dadurch verringert sich nochmals die Zahl der Herstellungsschritte. Die unstrukturierte Polymerschicht auf dem Substrat bildet das Ausgangsmaterial, das nur einmal eingespannt und justiert werden muß. Wellenleiter und Gitterfilter werden additiv in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten mit ein- und demselben Elektronenstrahl erzeugt. Im Bereich des Wellenleiters erfährt das Material eine überlagerte Brechungsindexänderung. Möglich ist erfindungsgemäß aber auch, daß während der direkten Erzeugung des latenten Bildes des Gitterfilters der Wellenleiter selbst durch die ausschließliche Belichtung mit dem Elektronenstrahl direkt erzeugbar ist. Wellenleiter und Gitterfilter werden dann in nur noch einem einzigen Verfahrensschritt alternierend nacheinander strukturiert, so daß das Material ortsabhängig nur eine einmalige Änderung des Brechungsindex erfährt. Das Verfahren ist damit besonders ablauf- und kostengünstig. Durch eine automatische Steuerung mittels eines programmierbaren Computers, in dem Programme zur Herstellung jeder einzelnen Gitterlinie gespeichert sind, kann es noch weiter optimiert werden.

Im folgenden soll anhand von Erläuterungen der Figuren das Wesentliche der Erfindung bezüglich Ausgestaltung und Herstellung noch verdeutlicht werden. Es zeigt dabei schematisch und vereinfacht im einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einem Wellenleiter überlagerten Gitterfilters,

Fig. 2 die Brechzahlverteilung im Querschnitt der PMMA-Schicht,

Fig. 3 eine Gitterfiltervariation durch Variation der Elektronen­ belichtungsdosis,

Fig. 4 eine Gitterfiltervariation durch Variation der Gitterperiode,

Fig. 5 eine Gitterfiltervariation durch Variation des Tastverhältnisses,

Fig. 6 ein gemessenes Gitterspektrum bei einem thermisch beeinflußten Gitterfilter und

Fig. 7 ein Blockschema für den Verfahrensablauf zur Herstellung eines einem Wellenleiter überlagerten Gitterfilters.

Die Fig. 1 zeigt eine, auf ein Substrat 1 aus Silizium aufgebrachte Polymerschicht 2 aus Polymethymethacrylat (PMMA), in die ein Wellenleiter 3 mit rechteckigem Querschnitt eingebettet ist. Der Verlauf des geführten Lichtstrahls ist durch einen Pfeil angedeutet. Die eingezeichneten Begrenzungslinien zwischen dem Wellenleiter 3 und der Polymerschicht 2 sind keine Körperkanten, sondern bezeichnen materialinterne Grenzbereiche, die durch die materialverändernde Strukturierung des Wellenleiters 3 entstanden sind.

Dem Wellenleiter 3 ist quer zur Lichtausbreitung ein Gitterfilter 4 überlagert, mit dem Licht vorgegebener Wellenlänge aus dem Lichtstrahl gleichmäßig ausgekoppelt werden kann. Die Weitergabe des ausgekoppelten Lichtanteils an weitere optische Bauteile und Bauelemente ist in der Fig. 1 nicht weiter gezeigt. Das dargestellte Gitterfilter 4 ist zur Bezeichnung von Details maßstabsverzerrt stark vergrößert dargestellt. Es weist aus Herstellungsgründen eine größere Breite als der Wellenleiter 3 auf. Das Gitterfilter 4 ist wie dieser als latentes Bild, d. h. als Abbildung vorgegebener ortsabhängiger Veränderungen, in die Polymerschicht 2 integriert und weist eine planare Oberfläche 5 auf. Dabei bestehen die ortsabhängigen Veränderungen aus Bereichen unterschiedlicher Brechungsindizes n in Form von einzelnen Gitterlinien 6. Auch hier sind die eingezeichneten Linien also keine reliefartigen Körperkanten, sondern bezeichnen die unterschiedlichen Brechungsbereiche.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Polymerschicht 2 entlang des Wellenleiters 3 dargestellt. Hieraus ist zu erkennen, daß die Gitterlinien 6 einen nicht genau rechteckigen Querschnitt aufweisen, sondern keulenartig aufgeweitet sind. Die Aufweitung erfolgt durch die Streuung der belichtenden Elektronen (Pfeile) an den Atomen in der Polymerschicht 2 und durch Rückstreuung an den Atomen im Substrat 1. Durch die nach außen abnehmende Streuung entsteht ein kontinuierlicher Brechungsindexübergang vom Brechungsindex n₂ im Kern der Gitterlinien 6 bis auf den Brechungsindex n₁ der Polymerschicht 2.

Die Fig. 3 bis 5 verdeutlichen die große Variationsbreite bei der Gestaltung des Gitterfilters 4 und zeigen wiederum jeweils einen Querschnitt durch den Wellenleiter 3. In Fig. 3 ist ein Gitterfilter 6 dargestellt, bei dem die Gitterlinien 6 zwar einen konstanten Abstand zueinander haben, aber jeweils einen anderen Brechungsindex n₂, n₃, n₄ aufweisen. Derartige Veränderungen sind durch einfache Variation der Elektronendosis bei der Belichtung herstellbar. Die Fig. 4 zeigt ein Gitterfilter 4 mit einer veränderten Gitterperiode P. Durch stetige Verbreiterung der Gitterlinien 6 und Zunahme ihres Abstandes nimmt auch die Gitterperiode P zu. Es gilt hier P₁<P₂<P₃. Die Fig. 5 zeigt die Variation des Tastverhältnisses L in einem Gitterfilter 4 mit voneinander unterschiedlich entfernten Gitterlinien 6, wobei deren Breite d₁, d₂, d₃ mit ihrem jeweils benachbarten verschieden breiten Polymerstreifen 7 die konstante Breite B ergibt. Dabei ermittelt sich das Tastverhältnis L aus dem Verhältnis der Gitterlinienbreite d zur Gesamtbreite B. Es gilt d₁/B ≠ d₂/B ≠ d₃/B. Die aufgezeigten Gitterparameter sind also von Linie zu Linie einfach variierbar.

Die Fig. 6 zeigt ein mit einem Meßaufbau aufgenommenes Gitterspektrum (bezogene Lichtstrahlleistung P über der durchgelassenen Wellenlänge λ) für ein durch Dosisvariation inhomogen strukturiertes Gitterfilter mit einer Gitterlänge von 8300 Linien unter Temperatureinfluß. Dabei wurde die Transmission der TE-Mode ermittelt. Die obere Kurve zeigt das Durchlaßverhalten des Gitterfilters bei einer Polymertemperatur im Wellenleiterbereich von 24°C mit einer minimalen Durchlässigkeit für Licht mit einer Wellenlänge von ca. 1557 nm. Bei einer Temperatur von 53°C liegt die minimale Durchlässigkeit ungefähr 9 nm darunter (Änderung -0,3 nm/°C), also bei ungefähr 1548 nm. Damit ist gezeigt, daß durch Temperatureinfluß das Gitterfilter in einem großen Bereich durchstimmbar geworden ist, d. h. in seiner Filtercharakteristik durch einfache Änderung seines latenten Bildes kontinuierlich veränderbar ist. Dabei ist der sich verändernde Parameter der Brechungsindex n, der in seiner Größe bekanntermaßen temperaturabhängig ist. Außerdem treten Verspannungen zwischen der Polymerschicht 2 und dem Substrat 1 auf.

Im folgenden wird anhand des Blockschaltbildes in der Fig. 7 das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Im Verfahrensschritt I wird eine Silizium-Scheibe als Substrat in der vorgesehenen Größe, beispielsweise zum Aufbau eines optischen Chips, vorbereitet. Anschließend wird im Verfahrenschritt II das Substrat mit einer Siliziumoxidschicht von einigen µm Schichtdicke versehen. Auf diese wird im nachfolgenden Verfahrensschritt: III eine Schicht aus PMMA mit eine Schichtdicke von 4-5 µm aufgeschleudert. Beim dargestellten Verfahrensablauf wird dann im Verfahrensschritt IV das beschichtete Substrat in einer Anlage zur Elektronenstrahlbelichtung justiert und dann der Wellenleiter mit einer Breite von 5 µm durch ausschließliche Elektronenstrahl-Belichtung in die Polymerschicht auf dem Substrat direkt strukturiert. Es ist aber auch möglich, im Verfahrensablauf den Wellenleiter durch einen UV-Belichtungsprozeß durch eine Chrommaske hindurch zu strukturieren, wenn zuvor das Polymer für den Belichtungsprozeß vorbereitet wurde, beispielsweise durch Dotierung mit einem Photostarter. In den belichteten Bereichen wird dann der Brechungsindex durch chemische Spaltung des Photostarters erhöht, nachfolgend werden die ungespaltenen Moleküle bei einem Ausheizprozeß ausgegast.

Das mit dem Wellenleiter versehene beschichtete Substrat verbleibt im Verfahrensschritt V in der Justageposition in der Elektronenstrahl­ belichtungsanlage. Durch direkte und ausschließliche Elektronenstrahlbelichtung wird nunmehr das latente Bild eines Gitterfilters in die Polymerschicht eingeschrieben. Dabei sorgt die Beibehaltung der Justageposition aus Verfahrensschritt IV für die exakte Überlagerung des Gitterfilters mit dem Wellenleiter. Die Erzeugung des latenten Bildes erfolgt ausschließlich durch elektroneninduzierte örtliche Brechungsindexänderung. Es erfolgen keine Teilcheneinlagerungen oder sonstige Volumeneffekte. Die einzelnen Gitterlinien werden sequentiell nach der Festlegung der Parameter in einem Computerprogramm geschrieben. Die Gitterparameter "Brechungsindex", "Gitterperiode" und "Tastverhältnis" können von Linie zu Linie beliebig verändert werden durch einfache Variation der Elektronendosis sowie der Elektronenstrahlgeometrie und -führung. Durch Streuung der Elektronen im Polymer und Rückstreuung der Elektronen durch das darunterliegende Substrat sind die Belichtungsgrenzen der Gitterlinien nicht scharf definiert, die Dosisverteilung erfolgt kontinuierlich. Die in den Chip eingebrachte Ladung im Bereich der Gitterlinien beträgt einige tausend µC/cm² bei einer benutzten Beschleunigungsspannung von 50 kV. Diese Ladung wird durch das Siliziumsubstrat abgeführt, so daß die Entstehung von hohen lokalen Ladungskonzentrationen weitgehend verhindert wird. Weitere Verfahrensschritte entfallen, die bei reliefbildenden Lithographieverfahren zum Erzeugen von Gitterrillen erforderlich sind, insbesondere das Aufbringen von Photolack, dessen Belichtung und Entfernung sowie trockenes oder nasses Ätzen des belichteten Polymers.

Soll das optische Bauteil unter üblichen, d. h. nicht staubfreien Bedingungen eingesetzt werden, kann nachfolgend im Verfahrensschritt VI zum Schutz des Gitterfilters noch eine Pufferschicht aufgebracht werden, hier durch Aufschleudern von Teflon. Soll das Gitterfilter in seiner Filtercharakteristik durchstimmbar sein, so kann dies durch eine steuerbare Temperaturbeeinflussung des PMMA im Gitterbereich erfolgen, da dessen örtlicher Brechungsindex zumindest temperaturabhängig ist. Dazu wird im Verfahrensschritt VII auf die Teflonschicht oberhalb des Gitterfilters ein thermischer Kontakt, beispielsweise in Form einer Heizelektrode oder eines Peltierelements, aufgebracht. Die Kontakte für den elektrischen Anschluß können nach dem, an sich bekannten "lift-off"-Verfahren angebracht werden und aus Gold bestehen. Um das hergestellte Bauteil für eine korrekte Ankopplung an optische Fasern gut vorzubereiten, können im Anschluß an den letzten durchgeführten Verfahrensschritt noch die Endflächen senkrecht zum Wellenleiter durch einen Sägeprozeß um einige mm gekürzt werden, so daß die durch das Aufschleudern des Polymers entstandene Verdickung im Randbereich beseitigt wird.

Claims (6)

1. Einem Wellenleiter in einer Polymerschicht überlagertes Gitterfilter mit ortsabhängigem Brechungsindex zur gleichmäßigen optischen Auskopplung eines Wellenlängenbereichs aus einem im Wellenleiter geführten Lichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitterfilter (4) als latentes Bild mit einer planaren Oberfläche (5) ausgebildet ist und die den Wellenleiter (3) definierenden Polymerschicht (2) im Bereich des latenten Bildes des Gitterfilters (4) ortsabhängig molekülverändertes Polymer mit unterschiedlichem Brechungsindex (n) aufweist, wobei die Brechungsindex­ änderung kontinuierlich ist und im Bereich eines Tausendstels des Brechungsindex des Polymers liegt.

2. Einem Wellenleiter überlagertes Gitterfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerschicht (2) oberhalb des Gitterfilters (4) eine Pufferschicht aufweist.

3. Einem Wellenleiter überlagertes Gitterfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerschicht (2) oberhalb der Pufferschicht einen thermischen Kontakt aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung eines einem Wellenleiter in einer Polymerschicht überlagerten Gitterfilters mit ortsabhängigem Brechungsindex zur gleichmäßigen optischen Auskopplung eines Wellenlängenbereichs aus einem im Wellenleiter geführten Lichtstrahl unter Verwendung eines direkt schreibenden Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß das latente Bild des Gitterfilters (4) durch die ausschließliche Belichtung mit dem Elektronenstrahl direkt erzeugbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristiken des latenten Bildes des Gitterfilters (4) durch Nachbehandlungsschritte noch verstärkbar sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder während der direkten Erzeugung des latenten Bildes des Gitterfilters (4) der Wellenleiter (3) selbst durch die ausschließliche Belichtung mit dem Elektronenstrahl direkt erzeugbar ist.