-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines thermooptischen
Schaltelements mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
-
Stand der
Technik
-
Es
ist bekannt, bei der optischen Nachrichtenübertragung in optisch transparenten
Netzen thermooptische Schaltelemente einzusetzen. Diese werden beispielsweise
in optischen Schaltmatrizen verwendet, mittels denen optische Signale
beliebiger Eingänge
auf beliebige Ausgänge
der Schaltmatrizen geschaltet werden können. Hierzu weisen die thermooptischen
Schalelemente Verzweigungskoppler auf, mittels denen optische Eingangssignale
an unterschiedliche Ausgänge
geschaltet werden können. Dies
wird erreicht, indem in einem Substrat angelegte Lichtwellenleiterstrukturen
gezielt erwärmt
werden, so dass infolge einer hiermit verbundenen Änderung von
Brechungsindizes die optischen Eingangssignale bestimmten optischen
Ausgängen
zugeschaltet werden können.
-
Entscheidend
für die
thermooptische Schaltfunktion ist eine gezielte thermische Beeinflussung der
Lichtwellenleiterstrukturen. Hierzu müssen diese in einem definierten
Abstand zu einer die Temperatur der Lichtwellenleiter beeinflussende
thermische Einrichtung angeordnet werden. Bekannt ist, Lichtwellenleiter-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 relativ aufwendig und erfordern das Einhalten exakt
definierter Prozessparameter.
-
Bekannt
ist ferner, die Lichtwellenleiter-Vertiefungen mittels einer Prägeeinrichtung
zu erzeugen. Mit dieser im Verhältnis
einfachen Technik lassen sich ebenfalls präzise Lichtwellenleiter-Vertiefungen
erreichen, jedoch ist deren Abstand zu einer die Temperatur der
Lichtwellenleiter beeinflussenden thermischen Einrichtung nicht
exakt einjustierbar.
-
Die
DE 195 08 025 A1 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung eines elektrooptischen Bauelements
mit allen im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Mit einem ersten Formwerkzeug wird eine Justierstruktur in eine
Trägerplatte
eingeprägt. Nach
entsprechenden Ätzschritten
wird ein zweites Formwerkzeug verwendet, um Kanäle in die Trägerplatte
einzuprägen.
Eine V-förmige,
von dem ersten Prägemittel
eingeprägte
Struktur dient dabei dazu, das zweite Formwerkzeug in der Ebene
hinsichtlich seiner Prägeposition
auszurichten.
-
Aus
der
DE 195 03 931
A1 ist ein Streifen-Wellenleiter bekannt, der in oder auf
das flächenhafte
Substratmaterial aufgebracht ist. Hierbei ist es bekannt, den integriertoptischen
Breitband-Streifen-Wellenleiter aus einem Polymer auf einem geeigneten
Substratmaterial wie beispielsweise Silizium durch ein Spritzguss-,
Präge-
oder Schleuderverfahren aufzubringen.
-
Vorteile
der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den
Vorteil, dass in einfacher Weise ein hochgenaues Erzeugen von Vertiefungen
in einem Lichtleiter in einem massenhaft reproduzierbaren, definierten
Abstand zu den eine Temperatur der Lichtwellenleiter beeinflussenden
thermischen Einrichtungen möglich
ist. Dadurch, dass die Vertiefungen mittels einer Prägeeinrichtung
in das Substrat eingebracht werden, wobei gleichzeitig mit den Vertiefungen Hilfsvertiefungen
zur Einstellung eines definierten Abstandes der Vertiefungen zu
einer thermischen Einrichtung erzeugt werden, kann sehr vorteilhaft über die
die Hilfsvertiefungen ergebenden Abschnitte der Einrichtung eine
exakte Justage der 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.
Mittels der Einrichtung lassen sich in Massenfertigung thermooptische
Schaltelemente herstellen, bei denen exakt ein gleicher definierter Abstand
zwischen den Vertiefungen und den thermischen Einrichtungen eingehalten
ist.
-
Erfindungsgemäß wird mittels
der Prägeeinrichtung
ein auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachtes Substrat zur Erzeugung
der Vertiefungen geprägt.
-
Bevorzugt
ist ferner eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Einrichtung
eine Verdrängungseinrichtung
ist, die auf die thermische Einrichtung aufgesetzt wird, und ein
verbleibender Zwischenraum zwischen der Verdrängungseinrichtung und der thermischen
Einrichtung mit einem das die späteren
Lichtwellenleiter umgebende Substrat, das vorzugsweise flüssig ist,
aufgefüllt
wird, so dass nach Aushärtung des
aufgefüllten
Substrates ebenfalls die Vertiefungen entstehen. Auch hierdurch
lassen sich exakt definierte Abstände zwischen den Vertiefungen 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 Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen,
bei denen in den 1 bis 5 Verfahrensschritte
zur Herstellung eines thermooptischen Schaltelementes verdeutlicht
sind, näher
erläutert.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
Anhand
der 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 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 besitzt
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 Prägeeinrichtung 14 mit
einer Prägekraft
F die Prägeabschnitte 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 Prägeeinrichtung 14 entfernt, so
daß die
Polymerschicht 12 die Vertiefungen 22 und die
Hilfsvertiefungen 24 aufweist. Über die Prägeeinrichtung 14 werden
hierbei definierte Verhältnisse
erzielt. Die Polymerschicht 12 weist eine Höhe h1 auf, die der Höhe der Prägeabschnitte 20 entspricht.
Ein Grund der Vertiefungen 22 ist von der Oberfläche 26 in
einem Abstand a angeordnet, 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 3 gezeigten
weiteren Verfahrensschritt werden die Vertiefungen 22 mit
einem Polymer 28 aufgefüllt.
Das Polymer 28 besitzt hierbei einen anderen Brechungsindex
als die Polymerschicht 12. Das Polymer 28 wird
mittels eine Presseinrichtung 30 in den Vertiefungen 22 verdichtet
und anschließend beispielsweise
mittels UV-Licht ausgehärtet. Überstehende
Bereiche des Polymers 28 werden durch die Presseinrichtung 30 gleichzeitig
entfernt, beispielsweise seitlich weggedrückt, so dass der in 3 gezeigte
Verfahrensstand erreicht wird. Hierbei ist in den Vertiefungen 22 das
Polymer 28 angeordnet, die die Lichtwellenleiter 32 des
thermooptischen Schaltelementes bilden.
-
Wie
anhand von 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 beispielsweise höher ist
als der Brechungsindex der Polymerschicht 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
lithografische Strukturierung der Metallisierung 36 abgeschattet
ist. Die Metallisierung 36 besteht beispielsweise aus Gold.
Nach erfolgter lithografischer Strukturierung wird die Maskierung 38 und
die nicht abgeschatteten Bereiche der Metallisierung 36 beispielsweise
mittels eines Ätzvorganges entfernt.
Hierdurch kommt es zur Ausbildung der, in 5 gezeigten,
Kontaktierung 40 über
den Lichtwellenleiter 32.
-
Durch
das erläuterte
erfindungsgemäße Verfahren
wird das in 5 schematisch gezeigte thermooptische
Schaltelement 42 erhalten. Dieses zeichnet sich dadurch
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 Schaltelement 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
vorgesehen sein, daß die
Prägeeinrichtung 14 mit
ihren Prägeabschnitten 20 auf
das Siliziumsubstrat 10 aufgesetzt wird. Anschließend erfolgt
ein Verfüllen
des zwischen der Prägeeinrichtung 14 und dem
Siliziumsubstrat 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 Prägeeinrichtung 14 ebenfalls
die exakten Vertiefungen 18 und 20 entstehen,
insbesondere der exakte Abstand a eingehalten 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
Heizelektroden 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 dieser
für ein
anliegendes optisches Signal sperrt. Durch Wechseln der Erwärmung kann
zwischen den beiden Lichtwellenleitern 32 geschaltet werden.
Um nach Abschalten der als Heizelektroden dienenden Kontakte 40 mit
möglichst
geringer Verzögerung
die Durchlässigkeit
des Lichtwellenleiters 32 wiederherzustellen, dient das
Siliziumsubstrat 10 als Wärmesenke. Eine Wärmeabfuhr
kann somit relativ rasch nach Abschalten der Heizeinrichtung erfolgen.
Dadurch, daß die
Siliziumschicht 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 Herstellungsverfahren ergibt
sich, daß die
Wärmesenke
(Siliziumsubstrat 10) während
der Strukturierung der Lichtwellenleiter 32 bereits mit
der Polymerschicht 12 verbunden ist. Hierdurch können ebenfalls Toleranzabweichungen
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 Lichtwellenleiter 32 ist bereits abgeschlossen,
kann eine Optimierung der Herstellungsverfahren sowohl der Lichtwellenleiter 32 als auch
der Kontaktierung 40 erfolgen, ohne daß auf den jeweils anderen Herstellungsprozeß Rücksicht zu
nehmen ist. Somit ist eine Opti mierung sowohl der optischen als
auch der thermischen Komponenten unabhängig voneinander möglich.