DE19707093A1 - Verfahren zur Herstellung integrierter planarer optischer Strukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integrierten planaren optischen Strukturen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Nachrichtentechnik werden in Netzwerken faserförmige Lichtwellenleiter zusammen mit optischen und optoelektronischen Bauteilen zur Übertragung von Daten eingesetzt. Die Bauteile bestehen aus aktiven Komponenten (Sender, Em­ pfänger), steuerbaren Komponenten (z. B. Schalter) und passiven Komponenten (z. B. Verzweiger, Koppler), die u. a. die Aufgabe haben, Lichtsignale zwischen verschiedenen Wellenleitern aufzuteilen oder zusammenzufassen.

Die Realisierung dieser Bauteile erfolgt mit Hilfe der Planartechnik, die im wesentlichen aus Prozeßschritten zur Herstellung elektronischer Halbleiterbau­ elemente besteht.

Für moderne optoelektronische Nachrichtensysteme sind verschiedene Typen von Lichtwellenleitern entwickelt worden. Stufenprofile, sog. Kern-Mantel-Licht­ wellenleiter bestehen aus einem Mantel und einem Kern, dessen Material eine höhere Brechzahl als der Mantel hat. Dadurch werden Lichtstrahlen bei flachem Einfallswinkel an der Grenzfläche durch Totalreflexion zwischen Kern und Mantel im Kern geführt. Bessere Übertragungseigenschaften besitzen sog. Gradienten-Lichtwellenleiter, die einen nach außen parabelförmig abnehmenden Brechungsindex besitzen. Der Querschnitt im lichtführenden Teil der Faser legt die Übertragungscharakteristik und damit den Schwingungstyp (Mode) bei einer vorgegebenen Wellenlänge fest. Die zur Übertragung von Daten bevorzugte Lichtwellenlänge befinden sich in nahen Infrarot in einem Bereich um 1 µm. Unterschieden wird dabei die Monomode-Faser, die einen Kerndurchmesser im Bereich der Lichtwellenlänge besitzt und die Multimode-Faser, bei der der Kerndurchmesser ein vielfaches der Lichtwellenlänge beträgt.

Mit unterschiedlichen Anforderung sind diese Datenübertragungssysteme u. a. für den Mobilverkehr interessant. Beispielsweise sollte sich dort das Trägermaterial an die jeweiligen Bedürfnisse in Flugzeugen, Schiffen und Autos variabel auswählen lassen.

Es ist bekannt, daß aktive und passive optische Bauteile durch die Herstellungs­ verfahren der Mikromechanik und Halbleitertechnologie realiserbar sind. Mittlerweile sind Bauteile auf Substraten aus LiNbO₃, Glas, Silicium, GaAs und InP auch kommerziell erhältlich.

Herstellungsverfahren von integrierten optischen Wellenleitern wird in den Patentschriften DE 42 07 207, DE 42 17 526 und US 5311604 beschrieben. Sie enthalten Prozeßfolgen, mit denen Wellenleiterstrukturen in Polymeren hergestellt werden. Die Strukturen werden mit Hilfe der Abformtechnik übertragen, wobei zunächst durch Galvanoabformung eine Negativform aus Nickel hergestellt wird. Durch Abformverfahren wie z. B. Spritzgießen werden mit polymeren Werkstoffen Positivformen hergestellt. Die zur Wellenleitung vorgesehenen Vertiefungen werden mit Materialien gefüllt, die den Faserkern bilden, wobei das überschüssige Material mit Hilfe einer Abdeckplatte aus­ gepreßt wird. Zur Herstellung solcher Strukturen sind dabei meist aufwendige Verfahrensschritte oder kostspielige Apparaturen notwendig. Ein Nachteil ist z. B. beim Spritzgußverfahren, daß es sich nur für einen engen Kreis von Substrat­ materialien anwenden läßt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein vom Substratmaterial unabhängiges und kostengünstiges Verfahren für integrierte planare optische Strukturen anzugeben, mit dem die Strukturen mit geringem technischen Aufwand durch bloßes Einfließen von Photopolymermaterial in die dafür vorgesehenen Strukturen hergestellt werden.

Die Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch wenige Prozeßschritte auf beliebigen Substraten komplexe Strukturen optischer Bauelemente hergestellt werden. Vorausgesetzt ist lediglich, daß die Oberfläche der Substrate bereits ausreichend glatt vorliegt oder sich durch ein Planarisierungsverfahren glätten läßt.

Wesentlich dabei ist außerdem, daß die Dimensionierung der optischen Strukturen z. B. für eine Anwendung bei einem Wellenleiter als Multimode-Faser, mit Abmessungen bis zu 100 µm, auf einer planaren Oberfläche durchgeführt werden und sich somit die in der Halbleitertechnologie gängigen Verfahren anwenden lassen. Zudem sind im Prozeßverlauf einige Verfahrensschritte enthalten, die durch vorteilhafte Kombinationen eine Vereinfachung und damit auch Verbilligung des Herstellungsprozesses darstellen. Beispielsweise wird mit einem Verfahrensschrift sowohl die Aushärtung des Photopolymermaterials des Lichtwellenleiters als auch das Belichten der Lackmaskierung, die sich anschließend ablösen läßt, bewirkt. Eine weitere Vereinfachung und ein wesentlicher Bestandteil des Verfahrens ist das Einbringen des flüssigen Photopolymers lokal in Vorratswannen, von denen aus das Befüllen der dafür vorgesehenen Strukturgräben durch Kapillarkräfte geschieht. Die Vorratswannen befinden sich in Verbindung mit den zu füllenden Gräben und enthalten die zum vollständigen Befüllen notwendige Menge an flüssigem Photopolymermaterial. Das lokale Befüllen geschieht beispielsweise aus einer dafür geeigneten Pipettier­ einrichtung. Ein Überlaufen des Polymers über die Seitenwände wird durch geeignete Photolackauswahl infolge von Oberflächenspannung vermieden, indem sich Lack und Polymer nicht benetzend verhalten. Dabei sind Strukturgrößen über einen Bereich von ca. 1-100 µm herstellbar, die bei den verwendeten Lichtwellenlängen sowohl die Monomoden- und Multimodenbetrieb erlaubt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein als star coupler ausgebildetes Bauelement mit angrenzenden Vorratswannen.

Fig. 2a-f die Prozeßfolge zur Herstellung der Wellenleiter-Strukturen.

Im Ausführungsbeispiel werden die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Sternkopplers beschrieben, mit dem die Teilnehmer eines Sternnetzes miteinander verbunden werden. Dieses Bauteil vermischt das Licht aller Teilnehmerleitungen gleichmäßig, so daß das von einem Teilnehmer ausgesandte Lichtsignal zu einem gewissen Teil bei jedem Teilnehmer ankommt. Im Beispiel ist ein 8 × 8 star coupler dargestellt (Fig. 1). Die Figur zeigt die Grabenstrukturen 1, die im mittleren Bereich durch einen Wellenleiter ausgebildet ist, der zu beiden Seiten fächerförmig in acht Kanäle aufspaltet. An beiden Enden befinden sich die Vorratswannen 2, in die das flüssiges Photopolymermaterial eingefüllt wird. Die Herstellung benötigten Verfahrensschritte werden im folgenden beschrieben und in einem Schnitt entlang der Linie 3 detailliert dargestellt (Fig. 2). Auf einem Sub­ stratmaterial 4 wird ganzflächig eine Schicht 5 mit geringerem Brechungsindex als der des Lichtwellenleiters, beispielsweise eine ca. 2 µm dicke Siliziumdioxid­ schicht, abgeschieden (Fig. 2a). Auf diese Oberfläche wird eine bis zu 100 µm dicke Photolackschicht 6 aufgebracht (Fig. 2b). Durch Kontaktbelichtung mittels einer Maske und einem Entwicklungsschritt wird die Lackschicht strukturiert und eine Grabenstruktur 7 mit möglichst senkrechten Seitenwänden ausgebildet (Fig. 2c). In diesem Schritt werden außerdem die Vorratswannen 2 strukturiert, die in der Figur vor und hinter der Bildebene liegen. Diese werden mit flüssigem Photopolymermaterial befüllt, das durch Kapillarkraft in die Gräben einfließt, wobei durch Oberflächenspannung das Photopolymermaterial 8 die Berandung der Strukturgräben nicht überschreitet (Fig. 2d). Durch Belichten der Oberfläche wird das Photopolymermaterial ausgehärtet und der umgebende Lack belichtet. Der belichtete Photolack wird anschließend mit einem geeigneten Entwickler abgelöst (Fig. 2e). Um eine vollständige Aushärtung der Wellenleiterstruktur zu erreichen, wird eine Nachbelichtung vorgenommen. Eine Deckschicht 9 ebenfalls aus Photopolymermaterial, das jedoch einen geringeren Brechungsindex als das Material der Wellenleiterstruktur besitzt, umschließt den Wellenleiter an den Seitenflanken und der Oberfläche (Fig. 2f). Durch eine weiter Belichtung wird das Material vollständig ausgehärtet. Üblicherweise werden durch Zerteilen der auf einem Substrat angeordneten Koppler die zur Befüllung der Strukturen benötigten Vorratswannen abgetrennt.

Die Erfindung ist nicht auf das angegebene Ausführungsbeispiel beschränkt, so daß zur Herstellung von optischen Strukturen auch andere Materialien verwendet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung integrierter planarer optischer Strukturen mittels eines photolithographischen Prozesses, dadurch gekennzeichnet,

• - daß durch einen Lithographieschritt Strukturgräben mit angrenzenden Vorratswannen für planare optische Strukturen auf einem Substrat Material gebildet werden,
• - daß die Strukturgräben mit flüssigem Photopolymermaterial aus Vorrats­ wannen gefüllt werden, und
• - daß das Photopolymermaterial ausgehärtet wird und durch eine Mantel­ schicht umgeben wird.

2. Verfahren zur Herstellung planarer optischer Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Substratoberfläche eine Schicht mit geringerem Brechungsindex als das Photopolymermaterial aufgebracht wird.

3. Verfahren zur Herstellung planarer optischer Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Lithographieschritt eine ein- oder mehrlagige Lackschicht verwendet wird.

4. Verfahren zur Herstellung planarer optischer Strukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Photopolymermaterial durch Kapillarkräfte aus Vorratswannen in die Strukturgräben einfließt.

5. Verfahren zur Herstellung planarer optischer Strukturen nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lack zur Bildung der Strukturgräben verwendet wird, der ein Überlaufen des Photopolymers verhindert.

6. Verfahren zur Herstellung planarer optischer Strukturen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelschicht eine geringere Brechzahl aufweist als das Photopolymermaterial.