DE19627536A1 - Wellenleitende Struktur mit gezielt einstellbarem Polarisationsverhalten in einem Polymer und Verfahren zur Herstellung einer solchen wellenleitenden Struktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wellenleitenden Struktur in einem Polymer sowie eine nach diesem Verfahren herstellbare wellenleitende Struktur mit gezielt einstellbarem Polarisationsverhalten.

Die optische Nachrichtentechnik gewinnt zunehmend an Bedeutung. So ist es nicht verwunderlich, daß ständig neue Verfahren und Materialien zu Herstellung optischer Komponenten entwickelt werden. Bisher war es üblich, anorganische Materialien wie Lithiumniobat (LiNbO₃) und Quarzglas (SiO₂) oder Halbleitermaterialien wie Indiumphosphid (InP), Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs) zu benutzen. Die bekannten Verfahren umfassen jedoch komplexe Herstellungsschritte, was den Herstellungsprozeß letztendlich sehr teuer macht. Aufgrund der großen Unterschiede in dem Brechungsindex zwischen optischen Komponenten aus anorganischem Material und einer Glasfaser treten bei der Einkopplung von Licht in den Lichtwellenleiter - auch Faser-Chip-Kopplung genannt - hohe Verluste im Bereich von 1,5 bis 2 dB auf.

In jüngster Zeit werden Anstrengungen unternommen, optische Komponenten auf Polymerbasis herzustellen, die u. a. deutlich geringere Faser-Chip-Kopplungsverluste besitzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren verfügbar zu machen, mit dem eine wellenleitende Struktur, die gegenüber optischen Komponenten aus anorganischem Material geringere Verluste bei der Faser- Chip-Kopplung zeigt, kostengünstiger hergestellt werden kann.

Dieses technische Problem löst die Erfindung mit den Merkmalen des Verfahrensanspruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 12.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen umschrieben.

Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, ein sogenanntes One-Step-Herstellungsverfahren bereitzustellen, mit dem eine wellenleitende Struktur vorbestimmter Polarisationseigenschaft unmittelbar und gezielt in einem Polymer gebildet werden kann. Dazu wird ein polymeres Material lediglich mit einer ionisierenden Strahlung vorbestimmter Dosis lokal bestrahlt, wobei sich im Bereich der Oberfläche des bestrahlten polymeren Materials eine wellenleitende Struktur mit vorbestimmter Polarisationseigenschaft bildet. Die Polarisationseigenschaft der erzeugten wellenleitenden Struktur hängt unmittelbar von der gewählten Strahlendosis ab. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß die wellenleitende Struktur sehr einfach strukturiert werden kann.

Unter dem Begriff ionisierende Strahlung versteht man beispielsweise a) leichte, mittelschnelle Ionen, b) Röntgen- und Elektronenstrahlen sowie c) UV-Strahlen. Vorzugsweise wird UV-Licht als ionisierende Strahlung verwendet.

Als polymeres Material kann beispielsweise Poly-Methyl-Meth- Acrylat (PMMA) verwendet werden. In diesem Fall ist es erforderlich, daß das polymere Material mit UV-Licht im Wellenlängenbereich von 250-280 nm bestrahlt wird.

In Abhängigkeit von der Strahlendosis ist es möglich, wellenleitende Strukturen mit unterschiedlichen Polymerisationseigenschaften - das sind wellenleitende Strukturen mit polarisationsunabhängigen bis hin zu polarisierenden Eigenschaften - herzustellen. Wird das PMMA-Material mit einer Strahlendosis von etwa ab 10 J/cm² bestrahlt, bildet sich im Bereich der Oberfläche des bestrahlten Materials eine isotrope wellenleitende Struktur aus. Eine isotrope wellenleitende Struktur erhält man auch, wenn das PMMA-Material mit einer ionisierenden Strahlendosis von etwa ab 3 J/cm² bestrahlt und anschließend getempert wird.

Wird das polymere Material mit einer ionisierenden Strahlendosis zwischen 3 und 10 J/cm² bestrahlt, bildet sich im Bereich der Oberfläche eine anisotrope wellenleitende Struktur aus. Der anisotrope Wellenleiter besitzt eine Doppelbrechung, d. h. die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen TM und TE eines in die wellenleitende Struktur eingekoppelten Lichtstrahls weisen unterschiedliche Brechungsindizes auf. Die TM- Polarisationsrichtung steht senkrecht zur Oberfläche des zu bestrahlenden polymeren Materials, wohingegen die TE- Polarisationsrichtung in einer Ebene parallel zur Oberfläche des polymeren Materials liegt. Mit einer derartigen anisotropen wellenleitenden Struktur ist es möglich, die TM- Polarisationsrichtung eines in die wellenleitende Struktur des polymeren Materials eingekoppelten Lichts herauszufiltern. Lediglich die parallel zur Oberfläche des polymeren Materials liegende Polarisationsrichtung TE des eingekoppelten Lichtes kann sich in der anisotropen wellenleitenden Struktur ausbreiten.

Ein derartiger anisotroper, doppelbrechender Wellenleiter kann beispielsweise in der optischen Informationsverarbeitung zur Moden-Trennung oder als polarisierendes Element eingesetzt werden. Insbesondere ist der anisotrope Wellenleiter als Polarisator einsetzbar, der nur die parallel zur Oberfläche des polymeren Materials liegende Polarisationsrichtung des eingekoppelten Lichts durchläßt.

Der Grad der Doppelbrechung und damit die Funktionsfähigkeit des anisotropen Wellenleiters als Polarisator kann dadurch verbessert werden, daß die Breite der in dem polymeren Material hergestellten wellenleitenden Struktur verringert wird.

Zweckmäßiger Weise liegt das polymere Material als Plattenmaterial oder als dünner Film vor, der auf einem geeigneten (d. h. mit angepaßtem Brechungsindex) Träger aufgebracht wird.

Eine auf vorbestimmte Flächen begrenzte Bestrahlung der Oberfläche des polymeren Materials kann dadurch erreicht werden, daß das polymere Material vor der Bestrahlung mit einer Photomaske abgedeckt wird. Darüber hinaus ist es denkbar, eine wellenleitende Struktur in die Oberfläche des polymeren Materials mit einer ionisierenden Strahlung vorbestimmter Strahlendosis gezielt einzuschreiben. Eine weitere Möglichkeit erlaubt es, mit Hilfe einer optischen Abbildungseinrichtung die zu erzeugende Struktur auf die Oberfläche des polymeren Materials zu projizieren.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a-1e) in schematischer Weise die einzelnen Schritte zur Herstellung einer wellenleitenden Struktur in einem Polymer,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem jeweils der Verlauf der Einfügedämpfung der beiden Polarisationsrichtungen TM und TE eines, in einen polarisationsunabhängigen Wellenleiter nach Fig. 1e) eingekoppelten Lichtstrahls über der Wellenlänge aufgetragen ist,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem jeweils der Verlauf der Einfügedämpfung der beiden Polarisationsrichtungen TM und TE eines, in einen erfindungsgemäß hergestellten polarisierenden Wellenleiter nach Fig. 1d) eingekoppelten Lichtstrahls über der Wellenlänge aufgetragen ist, und

Fig. 4 ein Diagramm, in dem der Verlauf der Grenzwellenlänge der Polarisationsrichtungen TM und TE in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis, mit der das polymere Material bestrahlt worden ist, aufgetragen ist.

Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft an dem Polymermaterial Poly-Methyl-Meth-Acrylat (PMMA) erläutert. Als ionisierende Strahlung wird vorzugsweise UV-Licht mit einer Wellenlänge unterhalb 280 nm und oberhalb der Ablationswellenlänge von 248 nm benutzt. In Fig. 1a) ist im Querschnitt das Polymermaterial PMMA 10 in Form einer Platte mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Auf der Oberfläche des PMMA-Materials 10 ist beispielsweise eine Fotomaske 20 aufgebracht, die in der Mitte eine entlang der Längsachse des polymeren Plattenmaterials 10 verlaufende Öffnung 30 aufweist. Mit Hilfe dieser Fotomaske 20 ist es möglich, beispielsweise einen Streifenwellenleiter herzustellen. Die Breite der länglichen Öffnung 30 beträgt beispielsweise 10 µm und die Länge 22 mm. Das mit der Fotomaske 20 abgedeckte PMMA-Material 10 wird nunmehr einer UV-Strahlung mit einer Dosis von beispielsweise 3 bis 10 J/cm² ausgesetzt. Aufgrund des anfänglichen, wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten a des PMMA-Materials 10 dringt die UV-Strahlung bis zu einer Eindringtiefe d in das polymere Material 10 unterhalb der länglichen Öffnung 30 ein. Dies ist durch den in Fig. 1b dargestellten Bereich 50 wiedergegeben. Infolge der UV-Bestrahlung brechen die Polymerketten des PMMA-Materials 10 auf, und es bilden sich verkürzte Polymerketten in dem bestrahlten Bereich 50 des PMMA-Materials 10. Die verkürzten Polymerketten ordnen sich neu an und rufen somit eine lokale Erhöhung der Dichte in dem bestrahlten Bereich 50 des polymeren Material 10 hervor. Dadurch erhöht sich in dem bestrahlten Bereich 50 des polymeren Materials 10 der Absorptionskoeffizient α und somit der Brechungsindex (siehe Fig. 1b). Zu Beginn der Bestrahlung folgt daher der Verlauf der Brechungsindexerhöhung bezüglich der Eindringtiefe d (d. h. senkrecht zur Oberfläche des PMMA-Materials 10) einem exponentiellen Abfall analog dem Intensitätsverlust durch die Absorption in dem Material; der Intensitätsabfall ist durch das Gesetz von Lambert-Beer [I=I₀_*exp(-αd)] beschrieben. Mit zunehmender Bestrahlungsdauer werden zwar im wesentlichen, wie bereits oben beschrieben, die Polymerketten verkürzt und neu geordnet, jedoch kommt es zusätzlich zur Ausbildung neuer chemischer Gruppen im PMMA- Material 10 (z. B. entsteht C=C), die ihrerseits eine weitere Erhöhung des Brechungsindex bewirken, was in dem bestrahlten Bereich 50 des PMMA-Materials 10 zu höheren optischen Absorptionskoeffizienten α führt. Der Absorptionskoeffizient erhöht sich bis auf einen Sättigungswert. Diese Zunahme des Absorptionskoeffizienten ist schematisch in Fig. 1c gezeigt. Durch diesen Effekt erfolgt eine Erhöhung des Brechungsindex in dem bestrahlten Bereich 50 mit zunehmender Bestrahlungszeit immer näher an der Oberfläche des PMMA- Materials 10. Als Ergebnis bildet sich in der Nähe der Oberfläche des bestrahlten PMMA-Materials 10 eine anisotrope Zone 40 erhöhten Brechungsindex aus, die sich relativ scharf vom restlichen PMMA-Material 10 abgrenzt. Damit ist es möglich, diese Zone 40 als optischen Wellenleiter zu verwenden (s. Fig. 1d). Die wellenleitende Zone 40 besitzt eine Dicke von bis zu 4,5 µm, eine Breite von 10 µm und eine Länge von 22 mm sowie einen Brechungsindex (gemessen für eine Wellenlänge von 633 nm) von maximal 1,5010 gegenüber einem Brechungsindex von 1,4885 des polymeren Ausgangsmaterials 10.

Messungen des Brechungsindex der wellenleitenden Zone 40 haben ergeben, daß die wellenleitende Zone 40 für die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen TE und TM eines eingekoppelten Lichts unterschiedliche Brechungsindizes besitzt, d. h., die Zone 40 in dem PMMA- Material 10 ist doppelbrechend. Die doppelbrechende Wirkung der wellenleitenden Zone 40 ergibt sich wohl aus dem Fließen des durch die UV-Bestrahlung erweichten Polymermaterials im Randbereich des bestrahlten Bereichs 50 (s. Fig. 1d), wodurch sich bestimmte Spannungsverhältnisse in der Zone 40 aufbauen, die für die Doppelbrechung verantwortlich sind. In Abhängigkeit von der gewählten Bestrahlungsdosis und der Dimension (insbesondere der Breite) der Zone 40 besitzt die in Fig. 1d gezeigte, doppelbrechende wellenleitende Zone 40 für die Grundmode eines eingekoppelten Lichts bestimmter Wellenlänge eine bestimmte Grenzwellenlänge. Das heißt, daß bei dieser Grenzwellenlänge die senkrecht zur Oberfläche des polymeren Materials 10 liegende Polarisationsrichtung des eingekoppelten Lichtes aufgrund gegebener Brechungsindexverhältnisse und Dimensionierungen der Zone 40 nicht mehr geführt werden kann. Allerdings bleibt die wellenleitende Zone 40 für die parallel zur Oberfläche des polymeren Materials liegende Polarisationsrichtung des eingekoppelten Lichtes transparent. Damit wirkt die in Fig. 1d dargestellte wellenleitende Zone 40 als Durchlaß- Polarisator für parallel zur Oberfläche liegende Polarisationsrichtungen. Im vorliegenden Fall konnte gezeigt werden, daß für eine Wellenlänge von 1.550 nm der TM-Anteil des geführten Grundmodes gegenüber dem TE-Anteil auf bis zu 30 dB unterdrückt wird. Die polarisierende Eigenschaft der Zone 40 in dem polymeren Material 10 läßt sich auch für andere Wellenlängen, vorteilhafterweise in dem für die optische Telekommunikation wichtigen Wellenlängenbereich von 1300 bis 1600 nm erreichen. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Strahlendosis von etwa ab 3 J/cm² bis etwa 10 J/cm² anisotrope Wellenleiter in dem PMMA-Material 10 hergestellt werden können. Wird allerdings das bestrahlte Material nachträglich noch getempert, bildet sich ein gewöhnlicher, polarisationsunabhängiger Wellenleiter aus, wie dies in Fig. 1e dargestellt ist.

In Fig. 2 ist das Einfügedämpfungs-Verhalten einer erfindungsgemäß in dem PMMA-Material 10 hergestellten wellenleitenden Struktur oder Zone 40 für die beiden Polarisationsrichtung TM bzw. TE eines, in die wellenleitende Struktur 40 eingekoppelten Lichts über der Wellenlänge λ aufgetragen. Unter Einfügedämpfung versteht man allgemein die Dämpfung, die sich nach Einfügen einer optischen Komponente in ein bestehendes System mit bekanntem Dämpfungsverhalten ergibt. Das PMMA-Material 10 wurde vier Stunden einer UV-Strahlungsintensität von 0,73 mW/cm², das entspricht einer Bestrahlungsdosis von etwa 10, 5 J/cm², ausgesetzt. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, erfahren die TM- und TE-Anteile des in die wellenleitende Zone 40 eingekoppelten Lichts im dargestellten Wellenlängenbereich von 900 bis 1.600 mn die gleiche Dämpfung. Bei der wellenleitenden Zone 40 handelt es sich daher um einen polarisationsunabhängigen, isotropen Wellenleiter.

In Fig. 3 sind die Verläufe der Einfügedämpfung einer in dem PMMA-Material 10 erfindungsgemäß hergestellten wellenleitenden Struktur oder Zone 40 für den TM- und TE- Anteil eines, in die wellenleitende Zone 40 eingekoppelten Lichtes über der Wellenlänge λ aufgetragen.

Die wellenleitende Zone 40 wurde dadurch erhalten, daß das PMMA-Material 10 vier Stunden mit einer Intensität von 0,39 mW/cm², das entspricht einer Bestrahlungsdosis von etwa 5,6 J/cm², bestrahlt worden ist. Die beiden Kurvenläufe zeigen, daß der TM-Anteil, der durch die gepunktete Kurve dargestellt ist, im Bereich von 1.500 bis 1.600 nm sehr stark gegenüber dem TE-Anteil, dargestellt durch die durchgezogene Kurvenlinie, unterdrückt wird. Bei dem Wellenleiter 40 handelt es sich demnach um einen Polarisator, der den TE-Anteil des eingekoppelten Lichtes durchläßt.

In Fig. 4 sind die Kurvenverläufe der Grenzwellenlängen für den TE- und den TM-Anteil in Abhängigkeit der Dosis, mit der das PMMA-Material 10 bestrahlt worden ist, gezeigt. Man erkennt, daß für kleine Bestrahlungsdosen im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 10 J/cm² der TE-Anteil eine wesentlich höhere Grenzwellenlänge als der TM-Anteil des eingekoppelten Lichtes besitzt. Ein mit einer solchen Dosis bestrahltes PMMA-Material 10 bildet daher im Bereich der bestrahlten Oberfläche eine polarisierende wellenleitende Zone 40. Die polarisierende Zone 40 kann daher als TE-Durchlaß-Polarisator eingesetzt werden. Je länger jedoch das polymere Material 10 einer UV- Bestrahlung ausgesetzt wird, desto näher wandern die Grenzwellenlängen für den TM- und TE-Anteil zusammen; die wellenleitende Zone 40 wird daher mit einer Bestrahlungsdosis von etwa ab 10 J/cm² polarisationsunabhängig. Der Abstand der Grenzwellenlängen des TM- und TE-Anteils des eingekoppelten Lichtes ist daher ein Maß für die Doppelbrechung und somit ein Maß für die Polarisationseigenschaft des bestrahlten polymeren Materials 10.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer wellenleitenden Struktur in einem Polymer mit folgendem Verfahrensschritt:
ein polymeres Material (10) wird mit einer ionisierenden Strahlung vorbestimmter Dosis lokal bestrahlt, wobei sich im Bereich (40) der Oberfläche des bestrahlten polymeren Materials eine wellenleitende Struktur mit vorbestimmter Polarisationseigenschaft bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ionisierende Strahlung UV-Licht verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material ein Acrylat ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als polymeres Material Poly-Methyl-Meth-Acrylat (PMMA) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material mit UV-Licht im Wellenlängenbereich von 250 bis 280 nm bestrahlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material mit einer Strahlendosis von etwa ab 10 J/cm² bestrahlt wird, wobei sich im Bereich der Oberfläche des bestrahlten polymeren Materials eine isotrope wellenleitende Struktur bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material mit einer ionisierenden Strahlendosis von etwa ab 3 J/cm² bestrahlt und anschließend getempert wird, wobei sich im Bereich der Oberfläche des bestrahlten polymeren Materials eine isotrope wellenleitende Struktur bildet.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material mit einer ionisierenden Strahlendosis zwischen 3 und 10 J/cm² bestrahlt wird, wobei sich im Bereich der Oberfläche des bestrahlten polymeren Materials eine anisotrope wellenleitende Struktur bildet.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Anisotropie der in dem polymeren Material hergestellten wellenleitenden Struktur durch Verändern deren Breite beeinflußt werden kann.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material ein Plattenmaterial ist oder als dünner Film auf einen geeigneten Träger aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestrahlung das polymere Material maskiert wird.

12. Wellenleitende Struktur mit gezielt einstellbarem Polarisationsverhalten in einem polymeren Material, herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.