DE19721721A1 - Verfahren zur Herstellung thermooptischer Schaltelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermooptischer Schaltelemente mit den im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, bei der optischen Nachrichtenübertra­ gung in optisch transparenten Netzen thermooptische Schaltelemente einzusetzen. Diese werden beispiels­ weise in optischen Schaltmatrizen verwendet, mittels denen optische Signale beliebiger Eingänge auf belie­ bige Ausgänge der Schaltmatrizen geschaltet werden können. Hierzu weisen die thermooptischen Schaltele­ mente Verzweigungskoppler auf, mittels denen optische Eingangssignale an unterschiedliche Ausgänge geschal­ tet werden können. Dies wird erreicht, indem in einem Substrat angelegte Lichtwellenleiterstrukturen ge­ zielt erwärmt werden, so daß infolge einer hiermit verbundenen Änderung von Brechungsindizes die opti­ schen Eingangssignale bestimmten optischen Ausgängen zugeschaltet werden können.

Entscheidend für die thermooptische Schaltfunktion ist eine gezielte thermische Beeinflussung der Licht­ wellenleiterstrukturen. Hierzu müssen diese in einem definierten Abstand zu einer die Temperatur der Lichtwellenleiter beeinflussende thermische Einrich­ tung angeordnet werden. Bekannt ist, Lichtwellenlei­ ter-Vertiefungen mittels Ätzverfahren zu erzeugen, so daß ein späteres Auffüllen der Vertiefungen mit dem die Lichtwellenleiter ergebenen Material möglich ist. Diese Verfahren gestatten ein hochpräzises Anlegen der Lichtwellenleiter-Vertiefungen, sind jedoch rela­ tiv aufwendig und erfordern das Einhalten exakt defi­ nierter Prozeßparameter.

Bekannt ist ferner, die Lichtwellenleiter-Vertiefun­ gen mittels einer Prägeeinrichtung zu erzeugen. Mit dieser im Verhältnis einfachen Technik lassen sich ebenfalls präzise Lichtwellenleiter-Vertiefungen er­ reichen, jedoch ist deren Abstand zu einer die Tempe­ ratur der Lichtwellenleiter beeinflussenden thermi­ schen Einrichtung nicht exakt einjustierbar.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Weise ein hochgenaues Erzeugen der Lichtwellenleiter-Vertiefungen in einem massenhaft reproduzierbaren, definierten Abstand zu den eine Temperatur der Lichtwellenleiter beeinflussenden thermischen Einrichtungen möglich ist. Dadurch, daß die Lichtwellenleiter-Vertiefungen mittels einer Einrichtung in das Substrat eingebracht werden, wobei gleichzeitig mit den Lichtwellenleiter-Vertiefungen Hilfsvertiefungen zur Einstellung eines definierten Abstandes der Lichtwellenleiter-Vertiefungen zu den thermischen Einrichtungen erzeugt werden, kann sehr vorteilhaft über die die Hilfsvertiefungen ergebenden Abschnitte der Einrichtung eine exakte Justage der Lichtwellenleiter-Vertiefungen erfolgen. Durch die die Hilfsvertiefungen ergebenden Abschnitte werden quasi Abstandhalter in die Einrichtung integriert, ohne daß diese zusätzlich in dem zu strukturierenden Substrat und der Einrichtung anzuordnen wären. Mit­ tels der Einrichtung lassen sich in Massenfertigung thermooptische Schaltelemente herstellen, bei denen exakt ein gleicher definierter Abstand zwischen den Lichtwellenleiter-Vertiefungen und den thermischen Einrichtungen eingehalten ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Einrichtung eine Prägeeinrichtung ist, mittels der ein aus einem Siliziumsubstrat aufge­ brachtes Substrat zur Erzeugung der Vertiefungen geprägt wird.

Bevorzugt ist ferner eine Ausgestaltung der Erfin­ dung, bei der die Einrichtung eine Verdrängungsein­ richtung ist, die auf die thermische Einrichtung aufgesetzt wird, und ein verbleibender Zwischenraum zwischen der Verdrängungseinrichtung und der thermi­ schen Einrichtung mit einem das die späteren Licht­ wellenleiter umgebende Substrat, das vorzugsweise flüssig ist, aufgefüllt wird, so daß nach Aushärtung des aufgefüllten Substrates ebenfalls die Vertiefun­ gen entstehen. Auch hierdurch lassen sich exakt defi­ nierte Abstände zwischen den Lichtwellenleiter-Ver­ tiefungen und der thermischen Einrichtung einstellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen, bei denen in den Fig. 1 bis 5 Verfahrensschritte zur Herstellung eines thermooptischen Schaltelementes verdeutlicht sind, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Anhand der Fig. 1 bis 5 wird der prinzipielle Verfahrensablauf bei der Herstellung thermooptischer Schaltelemente verdeutlicht. Zur Erläuterung wird die Herstellung eines thermooptischen Schaltelementes mit zwei Lichtwellenleiterstrukturen angenommen, wobei klar ist, daß thermooptische Schaltelemente eine Vielzahl von Lichtwellenleiterstrukturen aufweisen können, die mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig erzielbar sind.

Gemäß Fig. 1 wird auf einem Siliziumsubstrat 10 eine Polymerschicht 12 aufgetragen. Die Polymerschicht 12 wird mittels einer Prägeeinrichtung 14 in definierter Art und Weise geprägt. Die Prägeeinrichtung 14 be­ sitzt einen Stempel 16, der Prägeabschnitte 18 und Prägeabschnitte 20 aufweist. Die Prägeabschnitte 18 sind so strukturiert, daß diese bei Eindringen in die Polymerschicht 12 Vertiefungen 22 strukturieren, die der späteren Aufnahme der Lichtwellenleiter dienen. Gleichzeitig werden mittels der Prägeabschnitte 20 Hilfsvertiefungen 24 geprägt, die für die Funktion des thermooptischen Schaltelementes keine Funktion haben. Die Hilfsvertiefungen 24 ergeben sich aus der definierten Formgestalt der Prägeabschnitte 20. Diese sind so gewählt, daß bei Beaufschlagung der Prägeein­ richtung 14 mit einer Prägekraft F die Prägeabschnit­ te 20 die Polymerschicht 12 durchdringen und auf eine Oberfläche 26 des Siliziumsubstrats 10 auftreffen. Die Prägeabschnitte 20 sind zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß ein problemloses Eindringen in die in ihrer Konsistenz weiche Polymerschicht 12 möglich ist. Die Prägekraft F ist so eingestellt, daß bei Auftreffen der Prägeabschnitte 20 auf die Oberfläche 26 der Prägevorgang automatisch beendet ist. Nach Beendigung des Prägevorganges wird die Prägeeinrich­ tung 14 entfernt, so daß die Polymerschicht 12 die Vertiefungen 22 und die Hilfsvertiefungen 24 auf­ weist. Über die Prägeeinrichtung 14 werden hierbei definierte Verhältnisse erzielt. Die Polymerschicht 12 weist eine Höhe h₁ auf, die der Höhe der Prägeab­ schnitte 20 entspricht. Ein Grund der Vertiefungen 22 ist von der Oberfläche 26 in einem Abstand a angeord­ net, wobei sich a aus der Differenz der Höhe h₁ minus einer Höhe h₂ der Prägeabschnitte 18 ergibt. Da die Prägeeinrichtung 14, die beispielsweise aus Nickel besteht, mit hoher Präzision hergestellt werden kann, ergeben sich durch Abformung der Polymerschicht 12 exakte Anordnungen der Vertiefungen 22, wobei diese den definierten Abstand a von der Oberfläche 26 des Siliziumsubstrates 10 besitzen.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird die geprägte Polymerschicht 12 ausgehärtet. Die Aushärtung kann beispielsweise thermisch erfolgen. Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten weiteren Verfahrensschritt werden die Vertiefungen 22 mit einem Polymer 28 aufgefüllt. Das Polymer 28 besitzt hierbei einen anderen Brechungsin­ dex als die Polymerschicht 12. Das Polymer 28 wird mittels einer Preßeinrichtung 30 in den Vertiefungen 22 verdichtet und anschließend beispielsweise mittels UV-Licht ausgehärtet. Überstehende Bereiche des Poly­ mers 28 werden durch die Preßeinrichtung 30 gleich­ zeitig entfernt, beispielsweise seitlich weggedrückt, so daß der in Fig. 3 gezeigte Verfahrens stand er­ reicht wird. Hierbei ist in den Vertiefungen 24 das Polymer 28 angeordnet, die die Lichtwellenleiter 32 des thermooptischen Schaltelementes bilden.

Wie anhand von Fig. 4 verdeutlicht wird, wird auf die Polymerschicht 12 eine weitere Polymerschicht 34 aufgetragen, deren Brechungsindex dem Brechungsindex der Polymerschicht 12 entspricht. Hierdurch wird erreicht, daß die Lichtwellenleiter 32 vollständig in den Polymerschichten 12 und 34 eingebettet sind. Durch den abweichenden Brechungsindex, der beispiels­ weise höher ist als der Brechungsindex der Polymer­ schicht 12, sind die Lichtwellenleiter 32 zum Führen optischer Signale geeignet. Auf die Polymerschicht 34 wird eine Metallisierung 36 aufgebracht, die mit einer Maskierung 38 versehen wird. Die Maskierung 38 ist so gelegt, daß die Metallisierung 36 im Bereich der Lichtwellenleiter 32 für eine nachfolgende litho­ grafische Strukturierung der Metallisierung 36 abge­ schattet ist. Die Metallisierung 36 besteht bei­ spielsweise aus Gold. Nach erfolgter lithografischer Strukturierung wird die Maskierung 38 und die nicht abgeschatteten Bereiche der Metallisierung 36 bei­ spielsweise mittels eines Ätzvorganges entfernt. Hierdurch kommt es zur Ausbildung der, in Fig. 5 ge­ zeigten, Kontaktierung 40 über den Lichtwellenleiter 32.

Durch das erläuterte erfindungsgemäße Verfahren wird das in Fig. 5 schematisch gezeigte thermooptische Schaltelement 42 erhalten. Dieses zeichnet sich da­ durch aus, daß sich die Lichtwellenleiter 32 in einem definierten Abstand a zu dem Siliziumsubstrat 10 befinden. Durch die Herstellung der hochpräzisen Prägeeinrichtung 14 ist das thermooptische Schalt­ element 42 in großer Stückzahl herstellbar, wobei der Abstand a bei allen thermooptischen Schaltelementen 42 konstant ist. Durch das Prägen der Polymerschicht 12 mit relativ weicher Konsistenz ist eine Abnutzung der Prägeeinrichtung 14 nahezu ausgeschlossen.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgese­ hen sein, daß die Prägeeinrichtung 14 mit seinen Prägeabschnitten 20 auf das Siliziumsubstrat 10 auf­ gesetzt wird. Anschließend erfolgt ein Verfüllen des zwischen der Prägeeinrichtung 14 und dem Silizium­ substrat 10 verbleibenden Zwischenraumes mit einem die Polymerschicht 12 ergebenden Material. Dieses besitzt hierfür eine geeignete Viskosität und ist beispielsweise flüssig.

Durch die Prägeabschnitte 18 und 20 wird das Material in diesen Bereichen verdrängt, so daß nach Aushärtung der Polymerschicht 12 und entfernen der Prägeeinrich­ tung 14 ebenfalls die exakten Vertiefungen 18 und 20 entstehen, insbesondere der exakte Abstand a einge­ halten wird.

Auf die Funktion des thermooptischen Schaltelementes 42 soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden, da diese allgemein bekannt ist. So dienen die Kontaktierungen 40 als Heizelek­ troden für die Lichtwellenleiter 32, während das Siliziumsubstrat 10 eine Wärmesenke bildet. Je nach Schaltfunktion des thermooptischen Schaltelementes 42 kann über die Kontaktierungen 40 eine Erwärmung einer der Lichtwellenleiter 32 erzielt werden, so daß die­ ser für ein anliegendes optisches Signal sperrt. Durch Wechseln der Erwärmung kann zwischen den beiden Lichtwellenleitern 32 geschaltet werden. Um nach Ab­ schalten der als Heizelektroden dienenden Kontakte 40 mit möglichst geringer Verzögerung die Durchlässig­ keit des Lichtwellenleiters 32 wiederherzustellen, dient das Siliziumsubstrat 10 als Wärmesenke. Eine Wärmeabfuhr kann somit relativ rasch nach Abschalten der Heizeinrichtung erfolgen. Dadurch, daß die Sili­ ziumschicht 10 einen definierten, immer gleichen Abstand a von den Lichtwellenleitern 32 aufweist, kann diese Verzögerungszeit auf ein Minimum begrenzt und exakt vorherberechnet werden. Somit ergeben sich bei komplexen Schaltmatrizen mit einer Vielzahl von thermo-optischen Schaltelementen 42 jeweils gleiche Verhältnisse, die nicht durch durch die Herstellung bedingte Toleranzen abweichen.

Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Herstel­ lungsverfahren ergibt sich, daß die Wärmesenke (Siliziumsubstrat 10) während der Strukturierung der Lichtwellenleiter 32 bereits mit der Polymerschicht 12 verbunden ist. Hierdurch können ebenfalls Tole­ ranzabweichungen durch ein nachträgliches Aufbringen der Wärmesenke verhindert werden. Durch den einfachen und mittels bekannter Verfahren beherrschbaren Schichtaufbau des thermooptischen Schaltelementes 42 lassen sich diese mit hoher Genauigkeit preiswert herstellen. Zusätzliche Justageschritte zum Fügen der optischen Komponenten und der thermischen Komponenten des thermooptischen Schaltelementes 42 entfallen. Dadurch daß die Heizelektroden (Kontaktierung 40) in einem fertigungskompatiblen Prozeß einem Sputter- und Lithografieschritt auf die die Lichtwellenleiter 32 enthaltenden Polymerschichten 12, 34 aufgebracht wird, das heißt, die Strukturierung der Lichtwellen­ leiter 32 ist bereits abgeschlossen, kann eine Opti­ mierung der Herstellungsverfahren sowohl der Licht­ wellenleiter 32 als auch der Kontaktierung 40 erfol­ gen, ohne daß auf den jeweils anderen Herstellungs­ prozeß Rücksicht zu nehmen ist. Somit ist eine Opti­ mierung sowohl der optischen als auch der thermischen Komponenten unabhängig voneinander möglich.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung thermooptischer Schalt­ elemente, bei denen in ein Substrat mit bestimmten Brechungsindex Vertiefungen eingebracht werden, die Vertiefungen zur Erzeugung von Lichtwellenleiter­ strukturen mit einem Material mit anderem Brechungs­ index aufgefüllt werden, und den Lichtwellenleitern thermische Einrichtungen zur Beeinflussung einer Temperatur der Lichtwellenleiter zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Ver­ tiefungen (22) mittels einer Einrichtung (14) in dem Substrat (Polymerschicht) (12) erzeugt werden, wobei gleichzeitig mit den Lichtwellenleiter-Vertie­ fungen (22) Hilfsvertiefungen (24) zur Einstellung eines definierten Abstandes (a) der Lichtwellenleiter (32) von der thermischen Einrichtung (10) angelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (22, 24) mittels der Einrichtung (14) geprägt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) durch eine Differenz einer Höhe (h₁) eines die Hilfsvertie­ fungen (24) prägenden Prägeabschnitts (20) und einer Höhe (h₂) eines die Lichtwellenleiter-Vertiefungen (22) prägenden Prägeabschnitts (18) der Einrichtung (14) eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prägeabschnitte (20) das Substrat (12) bis zu einem die thermische Ein­ richtung bildenden Siliziumsubstrat (10) durch­ dringen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) auf das Siliziumsubstrat (10) vor dem Prägen der Vertiefungen (22, 24) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (22, 24) durch Verdrängen eines in einem Zwischenraum zwischen der auf dem Siliziumsubstrat (10) aufgesetzten Einrichtung (14) und dem Siliziumsubstrat (10) eingefüllten, die Polymerschicht (12) ergebenden Material erhalten werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (10) eine Wärmesenke für die Lichtwellenleiter (32) bil­ det.