DE2322012A1

DE2322012A1 - Verfahren zur herstellung dielektrischer wellenleitervorrichtungen

Info

Publication number: DE2322012A1
Application number: DE19732322012
Authority: DE
Inventors: Edwin Arthur Chandross; Iii Walter John Tomlinson; Heinz Paul Weber
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-05-04
Filing date: 1973-05-02
Publication date: 1973-11-15
Also published as: FR2187518B1; JPS4962151A; FR2187518A1

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Chanu'ros.3 7-7-8

Incorporated

New York, N, Y., 10007, USA ^A ° * ^c

Verfahren zur Herstellung dielelctrischer Wellenleitervorrichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleitervorrichtungen und verwandter optischer Schaltungen.

Man interessiert sich neuerdings sehr für optische Dünnschichtschaltungen und andere dielektrische Wellenleiterschaltungen und -vorrichtungen. Es wurden verschiedene Typen von Lichtlei— teranordmmgen und integrierten optischen Schaltungsvorrichtungen untersucht.

Zum Beispiel wurden dünne dielektrische Filme mit hohem Brechungsindex, die als optisch verlustarme Materialien auf Unterlagen mit einem geringeren Brechungsindex aufgebracht werden, als Lichtleiter verwendet. Die Dünnfilme sind typischerweise so breit, daß sie das Licht in nur einer Dimension führen. Für Anordnungen, in denen das Licht auch in der transversalen Dimension geführt werden muß, wurden dielektrische Leiter mit rund drei Mikrometer breiton und einem Mikrometer dicken Querschnitten

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verwendet. Beim letztgenannten Wellcnleitertyp ist ein Einzelmodenbecrieb typischerweise leicht erreichbar. In beide Wellenleitertypen wurden optische Gitter, die aus periodischen Änderungen der Übertragimgseigenschaften des Leitermaterials (z.B. Brechungsindex odor Dicke), eingebaut, um verschiedene Funktionen wie beispielsweise etwa die Eingangs- und Ausgangslichtwellenkopplung und die Reflexion oder.Ablenkung der geführten Strahlenbündel durchzuführen.

Als Beispiel für die mögliche Anwendung solcher integrierter optischer Schaltungen und Vorrichtungen wird angeführt, daß lange optische Übertragungsleiter Vorrichtungen erforderlich machen, die Lichtstralilenbündel als Informationsträger leiten, sowie regelmäßig über den Leiter verteilte Vorrichtungen, die die Strahlenbündel beeinflussen und Filter, Schalter, Strahlteiler, Reflektoren und dergl. enthalten. Solche Vorrichtungen werden deshalb in großen Stückzahlen gebraucht, und es beschränkt sich die gestellte Aufgabe auf eine einfache und wirtschaftliche Herstellung, besonders die wirtschaftliche Herstellung von Abgüssen einer gegebenen Schaltung oder Vorrichtung.

In einer gleichlautenden eigenen Anmeldung 189 101 wird ein

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Prägeverfahren erläutert uud für eine einfache und billige Massenherstellung integrierter optischer Wellenleiter oder SchaltuEgsvorricbtungen beansprucht. Bei diesem Verfahren v/ird eine transparente plastische Unterlage durch ein Formwerkzeug geprägt, dessen Oberfläche entsprechend dem gewünschten Schaltungsmuster erhabene Stellen aufweist. Die geprägte Unterlage wird mit einem transparenten dielektrischen Material mit größerem Brechungsindex überzogen, -das auf der Unterlage haftet und die durch das Formwerkzeug verursachte Vertiefungen ausfüllt. Das Material mit höherem Brechungsindex ist vorzugsweise ein polymer j.sierbares flüssiges Monomer, das in den Vertiefungen der Unterlage polymerisiert wird, wobei die Polymerisation entweder photochemisch oder thermisch eingeleitet, wird. Die Gebiete mit dem höheren Brechungsindex bilden dann den gewünschten optischen Wellenleiter oder anderen Teil einer optischen Schaltungsvorrichtung.

Obwohl die Herstellung vieler Typen von optischen Schaltungen, die in integrierten optischen Schaltungsvorrichtungen benötigt werden, sehr zufriedenstellende Ergebnisse brachte, zeigten unsere anschließenden Untersuchungen, daß das Prägeverfahren einen Fehler hat. Das Verfahren ist speziell auf die Anwendung verformbarer oder thermoplastische Unterlagsmaterialien be-

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schränkt. Außerdem sind bei dem Verfahren sowohl hohe Drücke als auch erhöhte Temperaturen erforderlich. Als wir versuchten, Bilder mit. relativ hohem Auflösungsvermögen zu prägen, stellten wir fest, daß in den verfahrensgemäß gewöhnlich verwendeten plastischen Substratmaterialien oft Blasen entstanden, was vielleicht auf den Abbau des plastischen Materials oder der darin eingeschlossenen Luft bei erhöhten Tempera.turen zurückzuführen ist. Diese Blasen haben eine schädliche Wirkung auf die Leiteroberfläche und die allgemeine optische Qualität der resultierenden Vorrichtungen.

Die vorliegende Erfindung geht von verbesserten alternativen Verfahren zur billigen Mas senherstellung integrierter optischer Schaltungen aus, die den beim oben erwähnten Prägeverfahren anzutreffenden Nachteil beheben. Weil die verbesserten Verfahren bei relativ niedrigen Temperaturen und geringen Drücken durchgeführt werden können, erbringen sie verbesserte Leiteroberflächen und ein höheres Auflösungsvermögen. Außerdem können mehr Ausgangsmaterialien verwendet v/erden, weil keine Prägung nötig ist und gleichzeitig keine deformierbaren oder thermoplastischen Unterlagen erforderlich sind.

Das erste crfindungsgcmäße Verfahren, das nachstehend als das

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Druckverfahren bezeichnet wird, bedient sich eines Formwerkzeuges mit Oberflächenvertiefungen oder Rillen, die mit einer Grenzfläche des gewünschten Schaltungsmusters übereinstimmen. Die Oberfläche des Prägewerkzeuges wird mit einem flüssig vorliegenden transparenten dielektrischen Material mit hohem Brechungsindex beschichtet, das sich auf zugeführte Energie hin anschließend zu verfestigen vermag. Dieses Material wird flüssig aufgetragen, damit es eine genügend hohe Oberflächenspannung hat, um in den Rillen eine größere Dicke als auf den angrenzenden Teilen der Oberfläche des Formwerkzeuges zu liefern. Es wird dann eine ebene transparente Unterlage mit geringerem Brechungsindex auf den Film aufgetragen und der Film verfestigt, so daß er auf der Unterlage haftet. Nach dem Entfernen des Formwerkzeuges sind dann die in dem Film dicker aufgebrachten Gebiete mit hohem Brechungsindex der gewünschte optische Wellenleiter oder andere Teil einer optischen Schaltungsvorrichtung.

Das zweite erfindungsgemäße Verfahren, das nachstehend als das ' Gießverfahren bezeichnet wird, bedient sich eines Formwerkzeuges mit erhabenen Oberflächenstellen oder Vorsprüngen, die mit der gewünschten "Leitergrenzf lache übereinstimmen. Es wird eine Schicht aus flüssigem, transparenten Ma-

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terial, das sich auf zugeführte Energie hin nachfolgend zu verfestigen vermag, auf eine geeignete ebene Trägeroberfläche aufgetragen. Die Oberfläche des Formwerkzeuges wird dann in die Schicht gepreßt und das Material verfestigt, um eine Unterlage für die gewünschte Vorrichtung zu bilden. Alternativ dazu kann die flüssige Schicht direkt auf die Oberfläche des Formwerkzeuges aufgebracht und dann verfestigt werden, um die Unterlage zu bilden. Nachdem Entfernen des Formwerkzeuges wird diese Unterlage mit einem transparenten dielektrischen Material mit höherem Brechungsindex beschichtet, das auf der Unterlage haftet und die durch das Formwerkzeug bewirkten Rillen ausfüllt. Dieser letzte Schritt, der mit dem beim oben erwähnten Prägeverfahren vorgenommenen Ausfüllschritt identisch ist, erfolgt typischerweise unter Verwendung eines flüssigen Materials, das die

Rillen der Unterlage auffüllt, wobei nur wenig Material auf den angrenzenden Teile der Unterlage verbleibt. Die in den Rillen dicker aufgetragenen Gebiete sind dann wiederum der gewünschte optische Leiter oder andere Teil einer optischen Schaltungsvorrichtung.

In erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die flüssigen Materialien, die nach den vorgenannten Verfahren später verfestigt werden, als flußige Monomere polymerisierbarer

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Materialien gewählt, die anschließend polymerisiei-t werden, wobei die Polymerisation entweder fotochemisch oder thermisch eingeleitet wird. Es sind auch andere Arten der Polymerisationseinleitung, wie etwa das Bestrahlen mit Elektronen- oder sehr energiereicher Strahlung möglich. Außerdem können die verschiedenen Eigenschaften der verfestigten Filme und Schichten wie beispielsweise etwa der Brechungsindex, die Härte, das Haftvermögen und die Beständigkeit gegen Lösungsmittel geändert und erfindungsgemäß einfach verbessert werden, in dem geeignete Monomere oder Kombinationen von Monomeren als Ausgangsmaterialien gewählt werden.

Die oben gemachten Ausführungen sind leichter verständlich, und es können andere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile abgeleitet werden, wenn die folgende spezielle Beschreibung zusammen mit der beigefügten Zeichnung betrachtet wird. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm der successiven Druckverfahrenssehritte; Fig. 2a bis 2d Bauformen entsprechend den in Fig.

dargestellten V erfahr ens schritten;

Fig. 3 ein Flußdiagramm der successiven Gießverfah

rensschritte; und

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Fig. 4a bis 4d Bauformen entsprechend den in Fig.

dargestellten Verfahrensschritten.

1« Druckverfahren

Das in Fig. 1 gezeigte Flußdiagramm stellt die grundlegende Reihenfolge der Schritte des Druckverfahrens, das sich für eine billige Massenherstellung integrierter optischer Wellenleiterschaltungen und -vorrichtungen eignet, voran. Das Verfahren wird so genannt, weil es den konventionellen Druckverfahren vergleichbar ist, die sich eines Formwerkzeuges mit Gravur bedienen, um ein Reliefbild zu drucken.

Der erste Schritt beim Druckverfahren besteht darin, ein Formwerkzeug mit einer Oberfläche herzustellen, die mit der gewünschte Leitergrenzfläche übereinstimmt. Eine Leitergrenzfläche ist im erfindungsgemäßen Sinne eine Oberfläche oder ein Gebiet dielektrischer Diskontinuität in der gewünschten Vorrichtung und kann jede Hochbrechungsindex-Niedrigbrechungsindex-Grenzflache wie beispielsweise die Unterlage-Film - und Luft-Film-Grenzflächen in optischen Dünnfilmleitern sein. Beim Druckverfahren ist die erwünschte Leitergrenzfläche typischerweise eine Luftgrenzfläche, und die Oberfläche des Formwerkzeuges enthält das gevoinschte Muster als Negativmuster.

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Deshalb weisen die Oberflächen Vertiefungen oder Rillen auf, die den gewünschten Teilen der Leitergrenzfläche entsprechen. Ein einfaches Beispiel für ein solches Formwerkzeug, dessen

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Herstellung weiter unter in Abschnitt 3 dieser speziellen Beschreibung erläutert wird, ist in Fig. 2a dargestellt.

Das in Fig. 2a abgebildete Formwerkzeug 11 zeigt anschaulich eine vorzugsweise aus einem Metall wie etwa Gold gebildete Schicht 12, die mit Hilfe der Epoxyharzschicht 13 auf eine im wesentlichen ebene Platte 14, z.B. Glasplatte, auf zementiert ist. Die Metallschicht 12 enthält das negative Gegenstück der gewünschten optischen Leitergrenzfläche, das zur Vereinfachung als Rille 15 mit einem gerundeten Querschnitt dargestellt ist* dessen Höhe W ungefähr 1 Mikrometer und Breite L ungefähr 3 Mikrometer betragen. Es sollte deutlich sein, daß die gewünschte Vorrichtung in diesem Falle ein einfacher Lichtleiter aus einem langestreckten Film mit hohem Brechungsindex und einem gerundeten Querschnitt von 1x3 Mikrometern ■ ist, der auf eine Unterlage mit geringerem Brechungsindex aufgebracht ist. Die Rille 15 erstreckt sich längs der in der Zeichnung sichtbaren Linie demgemäß nach rückwärts. Die ^r - · Rille kann in einer Oberfläche parallel· zu den Hauptoberflächen der Glasplatte 14 auch gebogen oder gekrümmt verlaufen.

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Obwohl die Rille 15 den dargestellten gerundeten Quersclmitt hat, sind mit den vorhandenen F orinwerkzeugher stellungsverfahren außerdem noch zahlreiche andere Querschnitte und Leiteranordnungen möglich. Z.B. sind ellyptische, dreieckförmige oder rechtwinklige Leiterquerschnitte vom optischen Standpunkt her in gleicher Weise akzeptierbar und können ebenfalls nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Auch kann die Tiefe W der Rille 15 in einem Gebiet der Rille hochgenau periodisch verändert werden, wenn optische Gitter verlangt werden. Die hohe Genauigkeit der nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtungen beruht zum Teil darauf, daß sich das weiter unten beschriebene Herstellungsverfahren für Formwerkzeuge für eine hochgenaue Herstellung eignet«

Die Schicht 12 des Formwerkzeuges 11 verfügt, weil sie vorzugsweise aus Metall hergestellt ist, bei Anwendung über eine harte_} porenfreie und dauerhafte Oberfläche. Folglich kann das Formwerkzeug 11 in unserem Verfahren bequem verwendet und wiederverwendet werden, um eine große Zahl von Abgüßen einer gegebenen optischen Vorrichtung herzustellen.

Der zweite Schritt der in Fig. 1 dargestellten Druckverfahrensschrittfolge, der Beschichtungsschritt, wird mit Hilfe der Fig.

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2b erläutert. In diesem Schritt wird die Schicht 12 des Formwerkzeuges 11 mit einem Film 17 aus transparentem Material beschichtet, der fließfähig ist, um die Rille 15 auszufüllen, und der sich auf zugeführte Energie hin anschließend auch zu verfestigen vermag. Der Film 17 bildet, wenn er verfestigt ist, in der gewünschten Lichtleitervorrichtimg einen transparenten Film mit hohem Brechungsindex. Idealerweise sollten nur die Rillen in dem Formwerkzeug ausgefüllt werden, um die beste Lichtleitungswirkung zu erzielen, d.h., die Lichtverluste in den Krümmungen des Leiters zu verringern, und es sollte sich kein Film auf den direkt an die Rillen angrenzenden Schichtfläche des Formwerkzeuges 11 bilden. In diesen Flächen ist praktisch jedoch ein sehr dünner kontinuierlicher Film tolerierbar, sofern seine Dicke W_f geringer als die Grenzdicke der niedrigsten Ordnung des geführten Mode in diesem Film ist. Typischerweise wird eine Dicke W_f von weniger als 0,2 Mikrometer verlangt. Offensichtlich muß das flüssige Material auf die ganze Oberfläche der Schicht 12 des Formwerkzeuges 11 aufgetragen werden, um mit Massenherstellungsverfahren vereinbar zu sein. Der Versuch, das Material in einem beschränkten Gebiet aufzutragen, würde nur dazu führen, daß die Herstellungskosten unvernünftig stark steigen. Deshalb liegt es auf der Hand, daß für diesen Schritt ein flüssiges Material mit

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hohem Brechungsindex verlangt wird, das fähig sein sollte, die Oberfläche der Schicht 12 des Formwerkzeuges 11 zu benetzen oder auf ihr zu haften. Außerdem muß das flüßige Material eine ausreichend hohe Oberflächenspannung haben, um eine verhältnismäßig glatte Außenoberfläche bei der Rille 15 zu bilden, wobei über der Rille W größer als W. der umgebenden Oberflächengebiete der Schicht 12 ist.

Bei der Anwendung des Beschichtungsschrittes zeigen unsere Versuche bis jetzt, daß es vorzuziehen ist, als Beschichtungsmaterial ein unverdünntes flüssiges Monomer eines polymerisierbaren Materials mit einem geeignet hohen Brechungsindex zu verwenden. Anschließend kann die Flüssigkeit durch Polymerisation verfestigt werden, welch letztere entweder auf fotpchemischem oder thermischem Wege eingeleitet wird. Andere Arten der Pofyrnierisationseinleitung, wie etwa das Bestrahlen mit Elektronenstrahlen oder sehr energiereicher Strahlung sind ebenso möglich. Wenn das flüssige Monomer vor Beginn der Polymerisation verdampfen kann, ist es möglich, die

Dicke W und W„ zu überwachen, und es können Leiter mit einem g f

viel größeren W /W„ - Verhältnis, d.h. solche mit besserem Leitungsverhalten, hergestellt werden.

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Andere Verfahren zur Durchführung der Beschichtung sind sicher möglich. Wenn z.B. ein Formwerkzeug mit einer Beschichtung, die ein Anhaften verhindert, oder das aus einem entsprechenden Material hergestellt ist, verwendet wird, sollte es möglich sein, die Rillen in dem Formwerkzeug mit verschiedenen Epoxyharzsorten auszufüllen. Um den Gebrauch eines Verdünnungsmittels zu vermeiden, sollten die Expoxyharze eine relativ niedrige Viskosität aufweisen und bei einer Temperatur, die sie veranlaßt, in die Rillen zu fließen, aufgebracht werden. Die Harze können in einer sich anschließenden Warmbehandlung gehärtet werden« Geeignete Formwerkzeuganordnungen, die ein Anhaften verhindern, werden weiter unten im Zusammenhang mit dem Entfernen des Formwerkzeuges beschrieben.

Der dritte beim Druckverfahren angewendete und in Fig. 1 dargestellte Schritt besteht darin, eine transparente Unterlage auf die Außenoberfläche des flüßigen Films 17 aufzutragen. Wie in Fig. 2c der Zeichnung gezeigt wird, muß die Unterlage 19 mindestens eine im wesentlichen ebene und glatte Oberfläche haben, die die Außenoberfläche des Films 17 berührt, damit sich eine im wesentlichen ebene und glatte Film/Unterlage-Grenzfläche bildet. Das Material der Unterlage muß auch ein etwas höheren Brechungsindex als der Film 17 haben, typischer-

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weise bis zu 1% oder mehr, damit Lichtleitung stattfinden kann.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2c können auf das Substrat in Pfeilrichtung kleine Drücke ausgeübt werden, um sMierzu- ■-■/. stellen, daß der Film 17 auf dem Formwerkzeug außer über der Rille ausreichend dünn ist und die untere Oberfläche der Unterlage 19 vollständig kontaktiert.

Beim nächsten in Fig. 1 dargestellten Schritt der Verfahrensfolge wird der Film 17 durch Zuführen von Energie einer solchen Art, auf \velche die Flüssigkeit ansprechen soll, verfestigt. In den bevorzugten Alisführungsbeispielen der Erfindung, in denen der Film 17 ein flüssiges Monomer ist, schließt der Verfestigungsschritt das Zuführen von Energie einer solchen Art zum Film 17 ein, auf welche das Monomer mit Einleiten der Polymerisation anspricht. Demzufolge kann die Verfestigung einfach durchgeführt werden, in dem der Film 17 mit Strahlung aus einer geeigneten Lichtquelle bestrahlt oder alternativ dazu erwärmt wird. Es können dem Monomer ;zur Verfestigung (Polymerisation) geeignete Katalysatoren zugesetzt werden.

Bei diesem Verfahrensschritt ist es wichtig, daß nach der Ver-

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festigung der Film 17 auf der Unterlage 19 haftet. Flüßige Monomere sind dafür bekannt, daß sie in polymerisierter Form gut auf Unterlagen aus plastischen Materialien wie etwa Polymethylmethacrylat (PMMA) haften, welch letzteres ein wohlbekanntes transparentes plastisches Material mit einem Brechungsindex von 1,49 ist. Es ist ebenso wichtig, daß die Flüßigkeit des Films 17 mit dem Material der Unterlage 19 verträglich ist. Wenn die Flüßigkeit die Unterlage angreift, können sich in den Vorrichtungen rauhe Wellenleiterwände bilden und stärkere Streuungsverluste auftreten.

Weil die Polymerisation mit einem relativ kleinen Volumenschwund (-10%) abläuft, haben die eich ergebenden polymerisierten Filme eine im wesentlichen ebene obere Oberfläche. Es kann auf die Unterlage 19 während der Verfestigung in Richtung des Pfeiles 21 ein geringer andauernder Druck ausgeübt werden, um sicherzustellen, daß sich die Film-Unterlage-Grenzfläche nach Verfestigung des Filmes vollständig berührt.

Beim letzten Schritt der in Fig. 1 dargestellten A^erfahrensfolge wird das Formwerkzeug 11 von dem verfestigten Film und der Unterlage 19 entfernt. Die sich ergebende optische Wellenleitervorrichtung ist, wenn sie umgewendet wird, die

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in Fig. 2d dargestellte. Metallbeschichtete Formwerkzeuge sind typischerweise leicht von den polymerisierten Materialien zu entfernen. Um die Entfernung des Formwerkzeuges zu erleichtern, ist es möglich, die Filme nach der Verfestigung zu erwärmen. Es ist auch möglich, vor der Beschichtung einen dünnen gleichmäßigen Film eines geeigneten Materials wie etwa Fkorkohlenstoff auf die Obeifläche des Formwerkzeuges aufzubringen, das sicherstellt, daß der verfestigte Film während der Verfestigung nicht auf der Oberfläche des Formwerkzeuges haften bleibt. Dieser Schritt ist wesentlich, wenn verfahrensgemäß ein Epoxyharz als Füllmaterial verwendet wird, um eine geeignete nichthafteride Oberfläche zu bilden. Alternativ können mit Polyäthylen beschichtete Formwerkzeuge verwendet werden. Polyäthylen ist ein Material, das auf gehärteten Epoxyharzen nicht haften bleibt.

Eine der signifikantestens Vorteile des bereits beschriebenen Druckverfahrens besteht darin, daß es bei relativ geringen Temperaturen und Drücken ausgeführt werden kann. Folglich liefert das Verfahren etrem glatte Leiterwände und h'ochpräzise Vorrichtungen. Bei oben erwähnten Gießverfahren werden oft Drücke über 0, 35 kg/cm und Temperaturen über 100 C verlangt, um die Unterlage zu verformen. Solche Werte, so wurde

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gezeigt, haben schädliche Auswirkungen auf die optische Qualität der häufig bei diesen Verfahren verwendeten-plastischen Materialien, beispielsweise PMMA. Während außerdem beim Gießverfahren nurdeformierbare oder thermoplastische Materialien als Unterlage verwendet werden können, ist die Auswahl der zu verwendenden Materialien beim Druckv erfahr en größer.

Wie bereits vorher gezeigt wurde, besteht das Verfahren zur Beschichtung des Formwerkzeuges, von dem wir glauben, daß es die größten Vorteile bietet, darin, daß ein Film aus flüssigem Monomer aufgetragen wird und dann die Polymerisation entweder auf fotochemischen, oder thermischem Wege eingeleitet wird. V/eil wir mit verhältnismäßig reinen Materialien beginnen (ausgenommen ein paar Prozent des Polymerisationsinitiators), gibt es auf der Unterlage keine unerwünschten Lösungsmittelnebenwirkungen.

Es können zahlreiche Acrylsäureester als Beschichtungsmaterial verwendet werden. Die monomere Cyclohexylmethacrylat, Benzylmethacrylat oder 2-Phenyläthylmethacrylat, um einige zu nennen, wurden für geeignet befunden, um mit PMMA-Unterlagen verwendet zu werden. Es könnten in analoger Weise auch

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andere Monomere wie etwa Styrolderivate verwendet werden.

Man betrachte die nachfolgenden Erläuterungen als ein spezielles Beispiel für die Anwendung der Schritte in der Schrittfolge des Druckverf ahrens.

Wir beginnen damit, daß wir auf ein goldbeschichtetes Formwerkzeug des in Fig. 2a dargestellten Typs Dünnfilme aus CyclohexylmethacrylatL. mit entweder ungefähr 2% Benzoinmethyläther, das ein lichtempfindlicher Initiator oder alternativ ungefähr 2% Benzoylperoxid, das ein thermisch aktivierbarer Initiator ist, aufbringen. Die überschüssige Flüssigkeit darf dann verdampft werden, bis die gewünschte Filmdicke erreicht ist. Anschließend wird die transparente PMMA^-Unterlage auf den Film aufgebracht. Im Falle einer Fotopolymerisation wird der Film gleichmäßig, z.B. durch die transparente Unterlage, mit ultraviolettem Licht, z. B. Licht aus einer 1000 Watt Hg-Xe-Bogenlampe mit geeigneter Optik, bestrahlt. ImFaIIe einer thermischen Polymerisation wird der Film gleichmäßig auf Temperaturen zwischen 50 und 100 C erwärmt, wobei die genaue Temperatur vom speziell verwendeten Polymerisationsinitiator abhängt·. In beiden Fällen kann der Film während der Verdampfung und der Bestrahlung oder Erwärmung einer

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Trocken-Sticlcstoffatniosphäre ausgesetzt werden, um Sauerstoff zu aitziehen, der die Polymerisation hemmen würde. Der Cyclohexylmethacrylat-Film hat, wenn er polymerisiert ist, einen Brechungsindex von 1, 505, welch letzterer ungefähr 1% größer ist als der Brechungsindex der PMMA-Unterlage (n=l,49).

Durch die beiden vorangegangenen Verfahren erfolgte Anwendung von geeigneten Monomeren oder Kombinationen davon, ist es auch möglich, die Eigenschaften des polymer is ierten Films einschl. beispielsweise seines Brechungsindexes, seiner Härte, seines Haftvermögens, seiner Beständigkeit gegen Lösungsmittel und dergl. über einen weiten Bereich einzustellen. Bifunkti onelle Monomere wie z.B. Äthyöenglycoldimethacrylat, die als Vernetzungsmittel dienen, können zugesetzt werden, um die Härte der Filme ihre Beständigkeit gegen Lösungsmittel zu verbessern.

Auf Wunsch, ist es ferner möglich, das flüssige Rillenfüllmaterial oder die Unterlage mit einem geeigneten Farbstoff des für Farbstofflaser verwendeten Typs zu dotieren. Eine solche Anordnung könnte, wenn sie auf geeignete Weise optisch angeregt wird, das wellenleitergeführte Licht in den Schaltungsvorrichtungen (devices) verstärken.

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2. Gießverfahren

Das als Flußdiagramm in Fig. 3 dargestellte Verfahren ist das erfindungsgemäße Gießverfahren. Ähnlich dem Druckverfahren ermöglicht es eine einfache und billige Massenherstellung integrierter optischer Schaltungen und -vorrichtungen. Weil die Details der einzelnen Schritte der verfahrensgeniäßen Schrittfolge in bestimmten Aspekten mit denen der früher beschriebenen Verfahrensschritte identisch sind, liegt es auf der Hand, dass vieles aus der vorausgegangenen Beschreibung hier ebenso verwendet werden kann. Folglich ist eine weitere Beschreibung nur hinsichtlich der grundlegenden Schrittfolge beim Gießverfahren und der verschiedenen sich davon unterscheidenden Merkmale nötig.

Wie beim Druckverfahren besteht der erste Schritt der in Fig. dargestellten Schrittfolge beim Gießverfahren darin, ein Formwerkzeug mit einer Oberfläche herzustellen, die mit der gewünschten Leitergrenzfläche übereinstimmt. Jedoch ist die Grenzfläche beim Gießverfahren typischerweise eine Film-Unterlage-Grenzfläche und das Formwerkzeug erhält die Positivform des gewünschten Musters. Das Formwerkzeug muß deshalb eine Oberfläche mit erhabenen Oberflächensteilen oder Vorsprüngen entsprechend der gewünschten Grenzfläche aufweisen. Solch ein

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positiv geformtes Formwerkzeug ist in Fig. 4a für den vereinfachten Fall eines langen optischen Leiters dargestellt.

Das Formwerkzeug 41 besitzt wie das Formwerkzeug 11 eine Metallschicht 42, die durch die Epoxyharzschicht 43 auf die Glasplatte 44 auf zementiert ist. Jedoch ist die Schicht 42 mit einem langestreckten Vorsprung 45 versehen, der ungeführt 1 Mikrometer hoch oder dick (W ) und ungefähr 3 Mikrometer

breit (L) ist. Die gewünschte Vorrichtung besteht in diesem Falle wieder aus einem Leiterfilm mit abgerundetem Querschnitt von 1x3 Mikrometer, der einen hohen Brechungsindex aufweist und auf eine Unterlage mit geringerem Brechungsindex aufgetragen wird. Im Rahmen des Verfahrens sind natürlich andere Querschnitte und kompliziertere Anordnungen möglich.

Nach der Darstellung in Fig. 4b besteht der zweite Schritt der verfahrensgemäßen Schrittfolge gemäß Fig. 3, der entweder unabhängig von oder zugleich mit der Herstellung des Formwerkzeuges erfolgen kann, darin, auf einen geeigneten ebenen Träger 46, der z. B. eine Glasplatte sein kann, eine Schicht 47 aus transparentem flüssigem Material aufzutragen, die sich auf zugeführte Energie hin anschließend zu verfestigen vermag. Es ist die Schicht 47, die, wenn sie verfestigt ist, die Unterlage

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für die gewünschte optische Vorrichtung bildet. Deshalb sollte sie einen Brechungsindex haben, der kleiner als der Brechungsindex des bei der Beschichtung zu verwendenden und nachstehend beschriebenen Materials ist. Vorteilhafterweise ist es auch ein Material, das gegen Wärnieverformung und Lösungsmittel beständig ist.

Die Schicht 47 auf dem Träger 46 ist typischerweise etwa 20 Mikrometer oder mehr dick. Das Schichtmaterial ist vorzugsweise ein flüssiges Monomer aus polymerisierbarem Material. Die verschiedenen physikalischen und chemischen Eigenschaften der Schicht können dann durch den Einbau eines geeigneten Vernetzungsmittels in das Monomer verbessert v/erden. In diesem Falle kann die Viskosität des Monomers auch noch gesteigert werden, um durch den Einbau eines geeigneten Polymers in die Flüssigkeit eine größere Schichtdicke zu ermöglichen. Cyclohexylmethacrylat, das mit einem kleinen Prozentsatz eines thermisch aktivierbaren oder lichtempfindlichen Polymerisationsinitiators wie etwa Benzoylperoxid (2%) bzw. Benzoinmethyläther (2%) dotiert wird, würde, um ein spezielles Beispiel anzuführen, ein geeignetes Material für die Schicht 47 sein.

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Nach der Darstellung in Fig* 4b drehen wir als nächstes das Formwerkzeug 41 und pressen seine zur Schicht 42 gehörige gemusterte Oberfläche in die Schicht 47 aus transparentem flüßigen Material. Weil die Schicht 47 flüssig ist, sind nur kleine Drücke in der Richtung des Pfeiles 48 erforderlich, um einen vollständigen Kontakt mit der Oberfläche der Schicht 42 des Formwerkzeuges sicherzustellen.

Alternativ dazu könnte der Träger bei den letzten zwei Verfahrensschritten entfernt und die flüssige Schicht gewünschter Dicke direlct auf die Oberfläche des Formwerkzeugs 41 aufgebracht werden.

Die Schicht 47 wird dann verfestigt, in dem ihr Energie einer solchen Art zugeführt wird, auf welche das Schichtmaterial ansprechen soll. Wenn polymerisierbare Materialien für die Schicht 47 verwendet werden, dann erfolgt die Energiezufuhr einfach durch gleichmäßiges Erwärmen der Schicht oder, alternativ dazu, gleichmäßiges Bestrahlen der Schicht mit einer geeigneten Lichtstrahlung.

Beim nächsten in Fig. 3 dargestellten Schritt des Gießverfahrens wird das Formwerkzeug 41 von der verfestigten Schicht

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47 entfernt, und es hinterbleibt eine Struktur wie die in Fig. ■ ' ' 4c dargestellte. Der Träger 46 kann oder darf zu diesem Zeitpunkt nicht entfernt werden, was von der strukturellen Formfestigkeit (z.B. der Dicke) der Schicht 47 abhängt. Die Rille 49 wird vom Formwerkzeug 41 in der Schicht 47 hinterlassen. Es ist möglich, die Rille 49 bei diesem V erfahrene stand durch eine Glüh- oder gesteuerte Warmbehandlung spannungsfrei zu machen, um die Leiteroberfläche zu entrauhen. Die Streuungsverluste der sich ergebenden Lichtleiter werden durch Ausglühen typischerweise vermindert.

Der letzte Schritt in der in Fig. 3 dargestellten Verfahrensschrittfolge besteht darin, daß auf die Schicht 47 ein Film aus transparentem dielektrischen Material aufgetragen wird, welch letzteres einen höheren Brechurgs index als das Material der Schicht 47 hat. Dieser in Fig. 4d der Zeichnung dargestellte Schritt; ist mit dem Füllschritt beim Prägeverfahren identisch, der in unserer anderen, bereits weiter oben erwähnten Anmeldeschrift erläutert ist. Folglich stehen hier ebensoviele Füllmaterialien Füllverfahren zur Verfügung.

Außerdem ist das Material des Films 51 offensichtlich flüßig und hat eine ausreichend große Oberflächenspannung, damit

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die Dicke W über der Rille 49 größer als die Dicke W„ auf den angrenzenden Teilen der Schicht 47 ist. Es können flüssige Monomere, z.B. 2-Phenyläthylmethac.rylat verwendet werden, die anschließend durch Polymerisation in den Rillen der Schicht 47 verfestigt werden. Der 2-Phenyläthylmethaerylat-Film hat, wenn er polymerisiert ist, einen Brechungsindex von etwa 1, 565, der den Brechungsindex der PolyicyclohexylmethacrylatJ-Unterlage (n = 1,505) in geeigneter Weise übersteigt.

Der Film 51 kann auch als Lösung aufgebracht werden. Das Besehiehtungsrnaterial ist sodann wie etwa ein Polymer eine flüssige Lösung mit hohem Brechungsindex. Der auf die Oberfläche der Unterlage aufgebrachte Film verfestigt sich dann nach der Verdampfung des Lösungsmittels.

Wir nehmen an, daß, als ein Resultat unserer anfänglichen Versuche, daß dies Verfahren dem Prägeverfahren überlegen ist, weil geringere Temperaturen und Drücke erforderlich sind und weil die verschiedenen Eigenschaften der Schicht 47, der Unterlage der sich ergebenden Vorrichtung, in dem Verfahren überwacht werden können. Die anhand unserer Verfahren erzielte höhere Stabilität des Unterlagsmaterials erweist sich gegenüber dem Prägeverfahren, das notwendigerweise auf ver-

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formbare oder thermoplastische Unterlagen beschränkt ist, ■ als wesentlich verbessert. Auch können mehr Füllmaterialien zusammen mit Substraten verwendet werden, die relativ weitgehend hitze- und lösungsmittelbeständig sind.

3. Herstellung des Formwerkzeuges Es sind viele Verfahren zur Herstellung von Forrmverkzeugen bekannt, die sich für die Anwendung bei den vorgenannten Verfahren eignen. Wo relativ einfache Lichtleiter des oben beschriebenen Tjrps benötigt werden, können Formwerkzeuge des Tjrps verwendet werden, der in der bereits zitierten gleichlautenden Anmeldeschrift verwendet wird. Derartige Formwerkzeuge be.-sitzen typiseherwweise eine Glasplatte, auf die mit Hilfe einer Epoxyharzschicht eine lange Quarzfaser aufzementiert ist. Querschnitt und Anordnung der Quarzfaser entsprechen der gewünschten Leitergrenzfläche. Wo kompliziertere optische Schaltungen und sehr enge Toleranzen verlangt werden, wie das z.B. in optischen Lichtleitern der Fall ist, die Gebiete mit optischen Gittern aufweisen, empfehlen wir das folgende Herstellungsverfahren für Formwerkzeuge.

Kurz gesagt, werden im Rahmen des Verfahrens Fotolaekmaterialien mit hohem Auflösunhsvermögen verwendet, in die

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das gewünschte Schaltungsmuster optisch geschrieben wird, und die dann zur Herstellung des Formwerkzeugmusters in Metall als Profil verwendet werden. Dieses Verfahren entspricht dem Verfahren, das im Zusammenhang mit der Erstellung von Phasenhologrammen auf Vynylband gezeigt und in dem Aufsatz "Applied Optics" von R. Bartolini, Kapitel 9, auf Seite 2283 (1970) beschrieben wurde. Wenn Negativformwerkzeuge wie etwa die beim erfindungsgemäßen Druckverfahren verwendeten verlangt sind, dann werden Negativfotolacke als Ausgangsmaterial gebraucht. Wenn wie beim Gießverfahren Positivformwerkstücke verlangt sind, dann werden Positivfotolacke gebraucht. Es schließt sich eine detailliertere Schilderung der Herstellung eines positiven Formwerkzeuges an.

Wir beginnen mit dem Aufbringen einer Positivfotolackschicht. Der Fotolack GAF Microline Photo Resist PR 102 auf eine geeignete Platte und ebene Oberfläche. Das Schaltungsmuster, z. B. Lichtleiter· mit optischen Gitter, wird optisch auf den Fotolack geschrieben, in dem dieser mit Strahlung aus einer geeigneten Lichtquelle bestrahlt wird, auf die der Fotolack anspricht. Für Lichtleiter wird typischerweise ein einzelnes fokusiertes Lichtstrahlenbündel verwendet, und das Strahlenbündel und/

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oder die Probe werden längs des Weges des gewünschten Leiters ' ' versetzt. Für optische Gitter werden typischerweise zwei oder mehr Lichtstrahlenbündel in den Proben zur Interferrenz gebracht, damit sich in diesen eine periodisch angeordnete Strah-Iungsintc3isität ergibt. Nach der Entwicklung des Fotolackmaterials werden die entwickelten Teile desselben unter Verwendung geeigneter Lösungsmittel wie GAF Microline Photo Resist Developer D-OIl weggewaschen, und es verbleibt ein Dickeprofil in dem Muster der gewünschten optischen Vorrichtung.

Danach dampfen wir Metall, z.B. Gold, auf die Oberfläche des entwickelten Fotolacks auf, um sie elektrisch leitend zu machen. Die Oberfläche wird dann mit mehr Gold elektroplatt iert, bis die Goldschicht ausreichend fest und haltbar ist (in der Regel reicht eine Dicke von ungefähr 3 Mikrometern aus). Die der bemusterten Seite gegenüberliegende Seite der Goldschieht wird dann mit einer Epoxyharzsehicht auf eine ebene mattierte Glasplatte aufzementiert. Nach Härtung der Harzschicht, z.B. mit Wärme, kann das Fotolackmaterial leicht von der Goldschicht getrennt und der überschüssige Fotolack durch Auswaschen der Schicht mit Aceton entfernt werden. Es ergibt sich ein Formwerkzeug wie das in Fig. 4a gezeigte.

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Wenn wir mit einem negativen Fotolack beginnen, sind sämtliche Schritte des vorausgegangenen Verfahrens analog und das Ergebnis besteht in einem Negativformwerkzeug, wie es oben in Fig. 2a dargestellt ist. Wenn Fotolackmaterialien mit hohem Auflösungsvermögen gewählt werden, sind Bilder sehr hohen Auflösungsvermögens erhältlich. Der Mechanismus zum optischen Schreiben in den Materialien ist wohlbekannt und kann äußerst präzise Muster liefern. Die Goldschicht bildet diese Muster genau nach und weist bei Gebrauch eine sehr dauerhafte Oberfläche auf, was für Massenherstellungsverfahren wichtig ist.

Es sollte festgestellt werden, daß die Formwerkzeuge und leitenden Unterlagen der Fig. 2a bis 2d und 4a bis 4d nur.zum Zwecke der Erläuterung sehr vereinfacht dargestellt wurden. Die Formwerkzeuge und sich ergebenden Leiterstrukturen können jeden gewünschten Schwierigkeitsgrad haben.

Um darüber hinaus die Massenherstellung einiger Schaltungen zu beschleunigen, ist es möglich, Abgüsse derselben Schaltung dicht beieinander in Zeilen und Spalten in demselben Formwerk, zeug vorzusehen. Folglich kann jedes Formwerkzeug so hergestellt werden, daß es anstatt einzelnen nach den vorerwähnten

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erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung eine ■ ·

Anzahl von optischen Schaltungen liefert.

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Claims

PA TE N TAN S PRÜ C HE

1. / Verfahren zur Herstellung dielektrischer Wellenleiter-Vorrichtungen,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Formwerkzeug mit einer Oberfläche hergestellt wird, die wenigstens zu. einem Teil mit der Grenzfläche eines wellenleitenden Dielektrikums in den gewünschten optischen Wellenleitervorrichtungen übereinstimmt,

daß auf die Oberfläche des Werkzeuges eine Schicht aus flüssigem Material aufgetragen wird, das auf zugeführte Energie hin sich zu verf estigen vermag, ·

daß Energie dem Material zugeführt wird um eine Verfestigung zu einer Schicht mit einem ersten Brechungsindex zu erhalten und daß die Schicht mit einem Dielektrikum einejs zweiten Brechungsindexes beschichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug mit Oberflächenvertiefungen versehen wird, die wenigstens zu einem Teil mit der Grenzfläche des wellenleitenden Dielektrikums in den gewünschten optischen Wellenleitervorrichtungen übereinstimmt, daß auf die Oberfläche des Formwerkzeuges ein Film aus einem

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fließfähigen transparenten Material aufgebracht wird, daß die Vertiefungen in der Formwerkzeugoberfläche auszufüllen vermag,

daß eine transparente Unterlage eines ersten Brechungsindexes mit wenigstens einer glatten und ebenen Oberfläche auf dem Film aufgebracht wird, um eine ebene und gläte Film-Unterlage-Grenzfläche zu erzeugen,

daß dem Material Energie zugeführt wird, um eine Verfestigung zu einem transparenten dielektrischen Film eines zweiten Brechungsindexes größer als der erste zu erhalten, und daß das Formwerkzeug von dem Film entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus flüßigem Material auf das Formwerkzeug aufgebracht wird, in dem. das flüßige Material als ein flüßiges Monomer mit einem Polymerisationsinitiator aufgebracht wird, und daß dem Monomer Energie einer solchen Art zugeführt wird, auf welche der Initiator mit Einleiten der Polymerisation anspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus flüßigem Material auf das Formwerkzeug aufgebracht, wird, in dem das flüßige Material als ein flüßiges

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Monomer mit einem Polymerisationsinitiator und einer Oberflächenspannung aufgebracht wird, welche so ausgewählt worden ist, daß eine gegenüber der Werkzeugoberfläche vergleichsweise glatte Außenoberfläche entsteht, daß ein Teil der Flüssigkeit verdampft wird, und daß dem Monomer Energie einer solchen Art zugeführt wird, auf welche der Initiator mit Einleiten der Polymer is ation anspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film aus Cyclohexylmethacrylat mit Benzoinmethyläther als lichtempfindlichem Polymerisationsinitiator auf das Formwerkzeug aufgebracht und ein Teil der Flüsigkeit verdampft,

und daß der Film mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, um einen polymerisierten Film als denjtransparenten dielektrischen Materialfilm zu erhalten.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film aus Cyclohexylmethacrylat mit Benzoylperoxid als einem thermisch aktivierbaren Polymerisationsinitiator auf das Formwerkzeug aufgebracht und ein Teil der Flüssigkeit verdampft wird, und

daß dßr Film erwärmt wird, um einen polymerisierten Film

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als den transparenten dielektrischen Materialfilm zu erhalten.

7. . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug mit erhabenen Oberflächenstellen versehen wird, die wenigstens zu einem. Teil mit der wellenleitenden dielektrischen Grenzfläche übereinstimmen, daß die Beschichtung auf der Oberfläche des Formwerkzeuges zu einer Unterlage verfestigt wird, die vor der Beschichtung der Schicht mit dem Dielektrikum entfernt wird, und daß das Dielektrikum auf die Schicht in Form eines Filmes aufgetragen wird, dessen Dicke bei den Vertiefungen in der Unterlage größer ist als an den anderen Teilen der Unterlage, wobei das Dielektrikum transparent ist und einen zweiten"Brechungsindex größer als den ersten besitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß auf die Unterlage ein flüssiges Monomer in Filmform aufgebracht wird, dessen Oberflächenspannung so ausgewählt ist, daß eine gegenüber der Oberfläche der Unterlage vergleichsweise glatte Außenoberfläche beibehalten wird, daß ein Teil der Flüssigkeit verdampft wird, und daß die Polymerisation des Filmes zum Erhalt eines transparenten dielektrischen Materialfilmes eingeleitet wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Unterlage ein 2-Phenyläthylenmethaerylatfilm aufgetragen wird, und daß der Film mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, um einen polymerisier,ten Film als den transparenten dielektrischen Materialfilm zu erhalten.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein 2-Phenyläthylmethacrylatfilm, der Benzoylperoxid als einen thermisch aktivierbaren Polymerisationsinitiatpr enthält, auf die Unterlage aufgetragen wird, daß ein Teil der Flüssigkeit verdampft wird, und daß der Film erwärmt wird, um einen polymerisierten Film als den transparenten dielektrischen MateriaKilm zu erhalten.

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