DE4208278A1 - Integriertes optisches bauelement - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein integriertes optisches Bauelement, insbesondere einen Modulator, Richtkoppler, Schalter, Polari­ sator, Verteiler od. dgl. nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bau­ elements.

Der zunehmende Einsatz integriert-optischer Komponenten für die optische Nachrichtentechnik, für die Sensorik und den Computerbereich (optischer Datenbus) läßt der optischen Anschlußtechnik (Chip-Faser-Kopplung) eine immer größere Bedeutung zukommen. Bereits kleinere private Vermittlungs­ stellen mit etwa 1000 Teilnehmeranschlüssen benötigen dabei beispielsweise mehrere tausend optische Anschlüsse zwischen den einzelnen Subschaltstufen, da Anzahl und Kom­ plexität der auf einzelnen Substraten integrierten optischen Komponenten auf Grund der extremen Aspektverhältnisse in der Optik stark eingeschränkt ist. In solchen Anwendungs­ fällen bestimmt die Realisierbarkeit und Zuverlässigkeit (mechanische und thermische Stabilität) der optischen An­ schlußtechnik und der erforderliche Anschlußaufwand letzt­ lich den erreichbaren Ausbaugrad eines optischen Vermitt­ lungssystems.

Der Licht-Einkoppelwirkungsgrad bei der Kopplung von Glas­ fasern und integrierten Wellenleitern der Bauelemente hängt sehr stark von dem Abstand der Endflächen, einer lateralen Verschiebung sowie einer Winkelverkippung der optischen Achsen gegeneinander ab. Die Glasfaser besitzt bei der Ankopplung demnach fünf Freiheitsgrade, die unabhängig voneinander optimiert werden müssen: einen axialen Freiheits­ grad, zwei laterale Freiheitsgrade und zwei Winkelfreiheits­ grade. Bei den für Glasfasern typischen Feldverteilungen führt z. B. ein lateraler Versatz von nur wenigen µm bereits zu Koppelverlusten im dB-Bereich. Ein effektives Ankoppel­ verfahren erfordert eine Reduktion der Freiheitsgrade sowie eine Möglichkeit der gleichzeitigen Positionierung aller Fasern eines Bündels. Aus Appl . Opt. 17 (1978), 895, "Opti­ cal coupling from fibres to channel waveguides formed on silicon", J. T. Boyd und S. Sriram, ist es bekannt, V-Nuten als Positioniergräben für die Glasfasern in ein Silizium­ substrat einzuätzen. Die anisotrop geätzten V-Nuten werden allseitig von langsam ätzenden (111)-Ebenen begrenzt, die einen Winkel von 54,7° zur Wafer-Oberfläche einschlie­ ßen. Fluchtend mit diesen V-Nuten sind die integrierten Wellenleiter angeordnet, wobei die Breite der Nuten so optimiert werden kann, daß durch die sich ergebende Nutform der Faserkern in der gleichen horizontalen Ebene wie der Lichtwellenleiter zu liegen kommt. Die im Bereich der Kopp­ lungsfläche zum Lichtwellenleiter liegende Stirnfläche der V-Nut ist ebenfalls unter einem Winkel von 54,7° ge­ neigt, so daß die Glasfaser nicht ganz bis zum Wellenleiter herangeschoben werden kann. Als Lösung für dieses Problem wird von Boyd und Sriram vorgeschlagen, die Glasfaser mit einer um ebenfalls 54,7° geneigten Endfläche zu versehen, um damit den Faserkern bis auf Stoßkopplung an den inte­ grierten Lichtwellenleiter heranzuschieben. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß eine aufwendige Endflächen­ bearbeitung der Faser notwendig ist und die Faser nur in einer bestimmten Lage in die Nut eingelegt werden darf. Bei der Kopplung besteht darüber hinaus die Gefahr, daß die beiden Endflächen aufeinandergleiten oder zumindest der Endbereich der Faser daher aus der Nut herausgeschoben wird. Eine zusätzliche Schwierigkeit ergibt sich aus der Notwendigkeit, nicht nur die Faser, sondern auch den inte­ grierten Wellenleiter mit einer entsprechend geneigten Endfläche zu versehen.

Weiterhin ist es aus der genannten Literaturstelle bekannt, in geätzten V-Nuten Glasfasern zu haltern und durch an­ schließendes Einfüllen von Flüssigpolymer (Polyurethan) einen Anschluß zum organischen Lichtwellenleiter herzu­ stellen, der in den verlängerten V-Nuten geführt und durch diese definiert wird. Da die Größe der Nuten am Koppel­ punkt jedoch durch den Glasfasermanteldurchmesser vorgegeben ist, sind derartige Wellenleiter extrem hochmodig und für monomodige Systeme der Nachrichtentechnik nicht zu gebrau­ chen. Ferner wird ein Tapern der Kanalwellenleiter vorge­ schlagen, wobei die Breite und damit auch die Tiefe der V-Nut in ihrem weiteren Verlauf allmählich verkleinert wird, um damit den Übergang zu üblichen Dünnfilm-Wellen­ leitern zu realisieren. Da aber auch in diesem Fall beim Übergang vom Faserkern der Glasfaser zum Kanalwellenleiter ein großer Sprung im Durchmesser der Wellenleiterstrukturen erfolgt, ist ein Anschwingen höherer Moden unvermeidlich und damit ein hoher Koppelwirkungsgrad im Single-Mode- Betrieb nicht zu erwarten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße integrierte optische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung haben demgegenüber den Vorteil, daß eine selbstjustierende Kopp­ lung von Glasfasern bzw. Faseranordnungen an Lichtwellen­ leiter aus einem optischen Polymer in einfacher Weise reali­ sierbar ist. Die Endflächenbearbeitung der Lichtwellenleiter ist einfach und vorzugsweise durch Laser-Ablation ausführ­ bar. Die Herstellung der Haltenuten für die Glasfasern kann durch anisotropes Ätzen auf einfache Weise nach einer etablierten Technologie erfolgen. Dabei wird eine hohe Genauigkeit der relativen Lage von Faser- und Wellenleiter­ endflächen erreicht. Durch leicht realisierbare Feldanpas­ sungen mittels Belichtungsverfahren kann ein hoher Koppel­ wirkungsgrad erreicht werden. Weiterhin kann eine große thermische und mechanische Stabilität durch gemeinsamen Verguß von Wellenleiter und Faser erreicht werden. Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich in besonderer Weise für monomodige Wellenleiterstrukturen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Bauelements möglich.

Eine besonders einfache und mechanisch stabile Herstellung des Lichtwellenleiters kann dadurch bewirkt werden, daß eine die den Lichtwellenleiter tragende Pufferschicht und das Kunststoffmaterial im V-Graben bis zur Ebene der End­ flächen überdeckende Schicht aus einem optischen, durch Belichtung in seinem Brechungsindex veränderbaren Polymer versehen ist, wobei der Lichtwellenleiter durch entsprechen­ de Belichtung dieser Schicht als Teil derselben ausgebildet ist. Hierdurch kann der Lichtwellenleiter in variabler Weise nach der mechanischen Anbringung der Polymerschicht ausgebildet werden. Der als Lichtwellenleiter ausgebildete Bereich der Schicht weist einen höheren Brechungsindex auf.

Das Kunststoffmaterial zur Ausfüllung des Positioniergrabens ist zweckmäßigerweise ebenfalls ein optisches Polymer, das insbesondere mit dem der die Pufferschicht überdeckenden Schicht identisch ist. Eine optimale Feldanpassung kann hier dadurch erfolgen, daß das glasfaserseitige Ende des Lichtwellenleiters adiabatisch auf den Durchmesser des Glasfaserkerns aufgeweitet ist. Hierbei ist nicht nur eine laterale, sondern zusätzlich oder alternativ auch eine vertikale Aufweitung möglich, die sich in das optische Polymer hinein erstreckt, das die V-Nut ausfüllt.

Zur Feldanpassung des Lichtwellenleiters zur Glasfaser hin kann in vorteilhafter Weise neben der geometrischen Anpassung der den Lichtwellenleiter umgebende Bereich des optischen Polymers einen adiabatischen, den Brechungsindex­ unterschied zwischen Lichtwellenleiter und dem umgebenden Bereich zur Glasfaser hin verringernden Indexverlauf auf­ weisen.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Anpassung und Ankopplung besteht darin, daß das glasfaserseitige Ende des Lichtwellenleiters spitz zuläuft und in einem weiteren Lichtwellenleiter mit niedrigerem Brechungsindex mündet, der sich bis zum Glasfaserkern erstreckt. Hierbei ist auch noch bei gegenüber dem Glasfaserkern relativ stark führendem Lichtwellenleiter mit kleinen Querschnittsabmessungen ein hoher Koppelwirkungsgrad möglich. Der weitere Lichtwellen­ leiter kann eine größere Ausdehnung in der Breite und/oder in der Tiefe aufweisen und der Dimensionierung des Glas­ faserkerns an der Kopplungsendfläche angepaßt sein.

In vorteilhafter Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Aufbringen der Schicht und das Ausfüllen des Posi­ tioniergrabens in einem Arbeitsgang mit demselben optischen Polymer durchgeführt werden. Hierdurch kann die Herstellung einfach und kostengünstig durchgeführt werden.

Die Ausbildung des Lichtwellenleiters erfolgt zweckmäßiger­ weise über eine auf die Polymerschicht aufgelegte Belich­ tungsmaske, wobei durch Fotopolymerisation eine Brechungs­ indexerhöhung im Lichtwellenleiterbereich durchgeführt wird. Weiterhin kann beispielsweise im Falle nichtlinear optischer Polymere eine Belichtungsmaske auf die Polymer­ schicht aufgelegt und durch einen UV-Fotoausbleichprozeß eine Brechungsindexreduzierung von Bereichen durchgeführt werden, die den Lichtwellenleiter begrenzen.

Um zur Optimierung der Feldanpassung zwischen Glasfaser und Lichtwellenleiter eine adiabatische Aufweitung des Lichtwellenleiters vor dem Glasfaserkern durchzuführen, wird zweckmäßigerweise zur lateralen Aufweitung bis auf den Durchmesser des Glasfaserkerns eine Belichtungsmaske mit sich aufweitender Maskenöffnung verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zur vertikalen Aufweitung bis auf den Durchmesser des Glasfaserkerns die Belichtungsintensität und/oder die Belichtungszeit zur Glasfaser hin rampenartig vergrößert. Um noch eine zusätzliche Optimierung der Feld­ anpassung durchführen zu können, kann eine zweite Maske mit variabler Transparenz für eine Nachbelichtung verwendet werden, die faserseitig eine höhere Transparenz und licht­ wellenleiterseitig eine geringere Transparenz aufweist.

In einem zweiten Taper-Konzept wird zur Herstellung und Ankopplung eines spitz zulaufenden Lichtwellenleiters zu­ nächst in einem ersten Belichtungsschritt mit einer ersten Belichtungsmaske ein erster spitz zur Glasfaser hin zu­ laufender Lichtwellenleiter gebildet, und danach wird in einem zweiten Belichtungsschritt ein zweiter, den ersten Lichtwellenleiter mit der Kopplungsendfläche verbindender Lichtwellenleiter mit geringerem Brechungsindex gebildet, wobei der zweite Lichtwellenleiter in seinem Durchmesser dem Glasfaserkern angepaßt ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Lichtwellen­ leitern bzw. Anschlüssen gleichzeitig hergestellt werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein integriertes optisches Bauelement mit einer angekoppelten Glasfaser in einem V-Graben in einer Draufsicht als erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Bauelement in einer vertikalen Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine ähnliche Anordnung eines optischen Bauele­ ments mit einer getaperten Struktur in einer Draufsicht als zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 das in Fig. 3 dargestellte Bauelement in einer vertikalen Schnittdarstellung,

Fig. 5 ein ähnliches optisches Bauelement mit einem spitz auslaufenden Lichtwellenleiter in einer Draufsicht als drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungs­ beispiel im Vertikalschnitt,

Fig. 7 das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Bauelement in einem Vertikalschnitt senkrecht zur Schnitt­ ebene gemäß Fig. 6 und

Fig. 8 dasselbe Bauelement in einer perspektivischen Ansicht zum Wellenleiter hin.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte integrierte optische Bauelement besteht im wesentlichen aus einem Siliziumsubstrat 10, in das zur Aufnahme einer Glasfaser 11 ein Positionier­ graben 12 mit V-förmigem Querschnitt anisotrop eingeätzt wird. Die bekannte anisotrope Ätztechnik weist einen hohen Entwicklungsstand auf und wird auch beim eingangs ange­ gebenen Stand der Technik eingesetzt. Mit Hilfe der Fenster­ öffnung in einer Ätzmaske wird die Weite a des Positionier­ grabens 12 und damit die Tiefe j der geätzten Nut festge­ legt. Mit Hilfe von alkalischen Ätzmedien, wie z. B. Kalium­ hydroxid, entstehen V-förmige Vertiefungen, die einen sehr präzisen Winkel von 54,7° zur Oberfläche einschließen. Ein solcher Winkel bildet sich auch an einer schrägen End­ fläche 13 des Positioniergrabens 12 aus, die sich über eine Länge c in den Graben hinein erstreckt.

Nach dem Ätzen des vorprozessierten Siliziumsubstrats 10 (Wafer), das außer dem Positioniergraben 12 auch nicht dargestellte aktive und/oder passive optische Bauelemente sowie elektronische Anordnungen tragen kann, wird eine optische Pufferschicht 14 mit niedrigem Brechungsindex und einer Dicke k aufgebracht. Hierbei kann es sich um Siliziumdioxid handeln, jedoch kann auch ein organischer Film verwendet werden. Die Pufferschichtdicke muß als Masken­ vorhalt bei der Ätzung des Positioniergrabens 12 berück­ sichtigt werden.

Anschließend wird ganzflächig ein optisches Polymer wie PMMA mit Fotoinitiator aufgebracht, das im Bereich des Positioniergrabens 12 zu einer Auffüllung 15 dieses Grabens und im übrigen Bereich zur Bildung einer die Oberfläche überziehenden Schicht 16 führt.

In der Schicht 16 wird nun ein Lichtwellenleiter 17 mit der Breite f durch UV-Belichtung erzeugt. Eine lokale Foto­ polymerisation führt zu einer Brechungsindexerhöhung im belichteten Bereich. Die nicht dargestellte Belichtungs­ maske wird paßgenau an den geätzten V-Nuten des Positionier­ grabens 12 oder durch zusätzliche Justierhilfen ausgerichtet.

Entsprechend der Gestalt der langgestreckten Maskenöffnung bildet sich dann der Lichtwellenleiter 17.

Anstelle der beschriebenen Fotopolymerisation kann der Lichtwellenleiter 17 bei Verwendung einiger nichtlinear- optischer Polymere auch prinzipiell gleichwertig durch eine lokale Thermopolung und/oder durch einen UV-Fotoaus­ bleichprozeß erfolgen.

Die laterale Lichtführung wird durch einen für monomodige Wellenleiter in der Regel geringen Indexunterschied zwischen belichtetem (Lichtwellenleiter 17) und unbelichtetem Bereich realisiert (schwache Führung). Die vertikale Ausdehnung des Lichtwellenleiters 17 ist im Falle dünner Schichten (ungefähr 2 µm) durch die Dicke m der Polymerschicht 16 gegeben, wobei die vertikale Wellenführung durch den Index­ sprung einerseits zur Pufferschicht (14) und andererseits zu Luft oder gegebenenfalls einer oberen Deckschicht be­ stimmt wird (starke Führung). Die entsprechenden Feldver­ teilungen lassen sich bei geringen Schichtdicken in der Regel gut an die Feldverteilungen aktiver optischer Halb­ leiterbauelemente auf dem integriert-optischen Chip anpassen.

Im Bereich größerer Schichtdicken, also im Bereich der Auffüllung 15, wird die vertikale Ausdehnung des Licht­ wellenleiters 17 durch die wirksame Tiefe des Fotopoly­ merisationsprozesses begrenzt. Bei starker UV-Absorption der fotopolymerisierbaren Materialien hängt diese Tiefe von den Belichtungsparametern und der Materialzusammen­ setzung (z. B. Anteil des Fotoinitiators) ab, so daß sich der Kanalwellenleiter hier gezielt auf eine einstellbare Tiefe q unter die Oberfläche ausdehnen läßt. Gleichzeitig wird in diesen Bereichen die Lichtwelle nach unten ebenfalls schwach geführt, wie dies in lateraler Richtung der Fall ist, was die Feldanpassung an die radialsymmetrische Ver­ teilung der Faser erleichtert.

Bis zu diesem Fertigungsschritt ist der Positioniergraben 12 mit dem optischen Polymer ausgefüllt. Für die Chip-Faser- Kopplung muß der Positioniergraben 12 nun zur Aufnahme der Glasfaser 11 mit dem Durchmesser h freigelegt werden. Dies kann durch Laser-Ablation mittels eines Excimer-Lasers erfolgen. Die dabei entstehende, ausreichend glatte Schnitt­ kante 18 durch den Lichtwellenleiter 17 und die Auffüllung 15 macht eine weitere Bearbeitung der Lichtleiterendfläche entbehrlich. Der Schnitt erfolgt in einem Abstand b von der oberen Endkante des Positioniergrabens 12, wobei dieser Abstand b die Ausdehnung c der schrägen Endfläche über­ trifft und somit eine Stoßkopplung zwischen Glasfaser 11 und Lichtwellenleiter 17 ermöglicht, die nur durch die Restrauhigkeit der Lichtleiterendfläche beschränkt ist. Die relative vertikale Lage n der optischen Achsen von Lichtwellenleiter 17 und Glasfaser 11 kann so insgesamt über der Tiefe der V-Nut so optimiert werden, daß die opti­ schen Felder möglichst gut überlappen. Der Glasfaserkern 19 mit dem Durchmesser i fluchtet dann ausreichend exakt mit dem Lichtwellenleiter 17. Im Falle einer stark führenden oberen Deckschicht, z. B. Luft, kann die Glasfaser 11 auch geringfügig tiefer gelegt werden, so daß der Glasfaserkern 19 oben bündig mit dem Lichtwellenleiter 17 abschließt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Falls die Pufferschicht 14 eine organische Pufferschicht ist, so wird diese durch die Laser-Ablation ebenfalls ent­ fernt, was im Masken-Layout über die Breite der zu ätzenden Strukturen zu berücksichtigen ist.

Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren werden mit nur einem Lithographie-/Ätzschritt für den Positionier­ graben 12 und einer UV-Belichtung für den Lichtwellenleiter 17 alle Freiheitsgrade der Chip-Faser-Kopplung durch die Maskenprozesse mit ausreichender Präzision festgelegt. Es kann dann noch ein thermischer Ausheizprozeß zur Stabili­ sierung der fotopolymerisierten Wellenleiterstrukturen erfolgen, bevor durch die Laserbehandlung die Endflächen geschaffen und der Positioniergraben 12 freigelegt wird. Die Faser kann dann ohne aktive Justage direkt in den Posi­ tioniergraben 12 eingelegt und fixiert werden. Dabei ist festzuhalten, daß zur Vereinfachung in den Fig. 1 und 2 und auch in den übrigen noch zu beschreibenden Figuren lediglich ein einziger Positioniergraben 12 mit einer Glas­ faser 11 und einem Lichtwellenleiter 17 dargestellt ist. In der Praxis wird jedoch eine Vielzahl paralleler Positio­ niergräben 12 geschaffen, und eine entsprechende Anzahl von Lichtwellenleitern 17 wird durch Belichtung erzeugt, bevor wiederum eine entsprechende Anzahl von Glasfasern 11 eingelegt und fixiert werden.

Zur Erhöhung der thermischen und mechanischen Stabilität kann durch gemeinsamen Verguß der eingelegten Glasfasern 11 und der Lichtwellenleiter 17 eine gemeinsame obere Abdeck­ schicht geschaffen werden, die in den Figuren nicht darge­ stellt ist. Hierzu kann beispielsweise ein UV-härtbares optisches Flüssigpolymer verwendet werden. Wird der Index­ sprung zu dieser oberen Abdeckschicht gering gehalten, kann durch eine vertikal schwache Führung eine weitere Annäherung der Feldverteilungen vorgenommen werden.

Es ist selbstverständlich auch möglich, für die Auffüllung 15 ein anderes Kunststoffmaterial geringer optischer Dämp­ fung und geeigneten Brechungsindices als für die Schicht 16 und den Lichtwellenleiter 17 zu verwenden, sofern auf eine starke Führung im Lichtwellenleiter 17 im Anschluß­ bereich an die Glasfaser 11 ein besonderer Wert gelegt wird.

Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel sind gleiche oder gleich wirkende Teile und Bereiche mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben.

Zur Optimierung der Feldanpassung zwischen der Glasfaser 11 und dem Lichtwellenleiter 17 wird hier eine getaperte Struktur verwendet. Der glasfaserseitige Endbereich 17a des Lichtwellenleiters 17 ist adiabatisch auf den Durch­ messer des Glasfaserkerns 19 aufgeweitet. Dies geschieht lateral durch eine entsprechende Weitung der Maskenöffnung der Belichtungsmaske, deren Längsränder einen kleinen Öff­ nungswinkel α aufweisen. In einem typischen Beispiel ist α 1°, und die Taperlänge ist ungefähr 500 µm. Bei einer Lichtwellenleiterbreite von 4 µm und einem Faserkerndurch­ messer von ca. 10 µm.

Die vertikale Ausdehnung des Endbereichs 17a des Lichtwellen­ leiters 17 hängt von der Materialzusammensetzung und der Belichtung ab. Beispielsweise ist bei einem PMMA-Material mit Fotoinitiator die maximal durch UV-Belichtung erziel­ bare Indexerhöhung eine Funktion der Konzentration des Fotoinitiators. Dieser Sättigungseffekt kann beim vertikalen Tapern dahingehend ausgenutzt werden, daß bei starker Über­ belichtung des Lichtwellenleiters einerseits dessen Brechungs­ index beim Sättigungswert konstant bleibt, andererseits aber die Tiefenausdehnung mit der Belichtungsdosis (Inten­ sität · Zeit) zunimmt. Hierdurch kann der Endbereich 17a zur Auffüllung 15 hin vertikal verbreitert werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die zunehmende Verbreite­ rung zum Glasfaserkern hin kann durch einen sogenannten Graukeil erzeugt werden, der faserseitig eine hohe Trans­ parenz und lichtwellenleiterseitig eine geringere Trans­ parenz aufweist. Diese Aufweitung auf eine Breite q gegen­ über der Dicke in der Schicht 16 kann selbstverständlich auch beim ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden, bei dem die laterale Breite konstant bleibt.

Durch eine UV-Nachbelichtung der Schicht 16 im Bereich der getaperten Struktur kann der Brechungsindex außerhalb des Lichtwellenleiters 17 nachträglich angehoben werden, so daß mit kleiner werdendem Brechungsindexunterschied die Lichtführung schwächer wird und die Feldanpassung zur Glasfaser 11 hin weiter optimiert werden kann. Auch diese Nachbelichtung kann einen adiabatischen Indexverlauf er­ zeugen, wenn wiederum eine Maske mit variabler Transparenz verwendet wird ("Graukeil"). In Fig. 3 ist der nachzubelich­ tende Bereich 20 durch eine Umrandung gekennzeichnet. Die Belichtung für parallel angeordnete Faserarrays kann streifen­ weise über alle Positioniergräben 12 durch einfache Masken­ justierung erfolgen.

Bei dem in den Fig. 5 bis 8 dargestellten dritten Ausfüh­ rungsbeispiel ist der glasfaserseitige Endbereich 17b des Lichtwellenleiters 17 spitz zulaufend ausgebildet und mündet noch vor der Schnittkante 18. Dieser Endbereich 17b ist von einem weiteren Lichtwellenleiter 21 umgeben, der die Verbindung zur Glasfaser 11 bzw. zum Glasfaserkern 19 her­ stellt. Hierdurch können auch sehr dünne Lichtwellenleiter 17 optimal an einen relativ dickeren Glasfaserkern 19 ange­ koppelt werden. Der gegenüber dem Lichtwellenleiter 17 einen etwas niedrigeren Brechungsindex aufweisende weitere Lichtwellenleiter 21 wird durch einen zweiten Belichtungs­ prozeß mit einer eigenen Belichtungsmaske erzeugt. Bei größerem Querschnitt und bei geeignetem Indexprofil mit entsprechend größerer Tiefenausdehnung der optischen Felder im Bereich der Auffüllung 15 kann dann die Feldverteilung der Glasfaser 11 (typischer Glasfaserkern-Durchmesser i ungefähr = 8-10 µm) zur Erzielung hoher Koppelwirkungsgrade angenähert werden. Durch die spitz zulaufende Gestalt des Endbereichs 17b wird die darin geführte Lichtwelle in den weiteren Lichtwellenleiter 21 mit niedrigerem Brechungs­ index übergekoppelt. Die Feldverteilung im sehr schmalen Lichtwellenleiter 17 ist beispielsweise an optoelektroni­ sche Halbleiterbauelemente angepaßt, und über den Licht­ wellenleiter 21 wird dann eine Anpassung an die Feldver­ teilung der Glasfaser 11 erreicht.

In den Fig. 7 und 8 ist noch eine obere Deckschicht 22 dargestellt, die die Schicht 16 bzw. den Lichtwellenleiter 17 überdeckt und auch die Glasfaser 11 mitüberdecken kann. Fig. 7 zeigt dabei einen Querschnitt durch die Anordnung senkrecht zur Längsrichtung des Lichtwellenleiters außer­ halb des Positioniergrabens 12.

In der perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 8 wurde zur Vereinfachung der Darstellung die Pufferschicht 14 wegge­ lassen. Auch auf eine Darstellung der Glasfaser 11 und der Deckschicht 22 wurde verzichtet.

Anstelle der beschriebenen Strukturierungstechnik (UV-Be­ strahlung) zur Bildung des Lichtwellenleiters können prinzi­ piell auch andere Strukturierungstechniken treten, wie eine Ion-Implantation oder die Bildung eines Rippenwellen­ leiters z. B. durch Trockenätzen. Durch derartige Strukturie­ rungstechniken einschließlich der beschriebenen UV-Bestrah­ lung oder des UV-Fotoausbleichprozesses lassen sich neben der Herstellung des Lichtwellenleiters auch noch andere Leitungsstrukturen, Schalter od. dgl. in einheitlicher Techno­ logie auf dem integriert-optischen Chip erzeugen.

Je nach Anforderung an die Kopplungswirkungsgrade zwischen Faser und Wellenleiter können die beschriebenen Maßnahmen in mehr oder weniger ausgeprägter Weise durchgeführt werden. Sind die Anforderungen nicht ganz so hoch, so kann bei­ spielsweise die einfachere Ausführung gemäß Fig. 1 aus­ reichen.

Claims (22)

1. Integriertes optisches Bauelement, insbesondere Modu­ lator, Richtkoppler, Schalter, Polarisator, Verteiler od. dgl., mit einem auf einem mit wenigstens einer optischen Pufferschicht mit niedrigem Brechungsindex versehenen Sili­ ziumsubstrat angeordneten Lichtwellenleiter aus einem optischen Polymer und mit einem anisotrop in das Substrat eingeätzten, im wesentlichen fluchtend zum Lichtwellen­ leiter ausgerichteten Positioniergraben mit V-förmigem Querschnitt zur Aufnahme einer durch Stoßkopplung an die Kopplungsendfläche des Lichtwellenleiters anzukoppelnden Glasfaser, dadurch gekennzeichnet, daß der Positioniergraben (12) am kopplungsseitigen Endbereich mit einem Kunststoff­ material (15) ausgefüllt ist, wobei sich der Lichtwellen­ leiter (17) auf dem Kunststoffmaterial (15) bis zu einer senkrecht zur axialen Richtung des Lichtwellenleiters (17) verlaufenden, in der Ebene der Kopplungsendfläche liegenden Endfläche (18) des Kunststoffmaterials (15) erstreckt, und daß diese Endfläche (18) außerhalb eines schräg ver­ laufenden Endbereichs (13) des Positioniergrabens (12) angeordnet ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die den Lichtwellenleiter (17) tragende Puffer­ schicht (14) und das Kunststoffmaterial (15) bis zur Ebene der Endfläche (18) überdeckende Schicht (16) aus einem optischen, durch Belichtung in seinem Brechungsindex ver­ änderbaren Polymer vorgesehen ist, wobei der Lichtwellen­ leiter (17) durch entsprechende Belichtung dieser Schicht (16) als Teil derselben ausgebildet ist.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Lichtwellenleiter (17) ausgebildete Bereich der Schicht (16) einen höheren Brechungsindex aufweist.

4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Positioniergraben (12) eine Dimensionierung aufweist, durch die der Glasfaserkern (19) der eingelegten Glasfaser (11) mit dem Lichtwellen­ leiter (17) fluchtet.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial (15) zur Auf­ füllung des Positioniergrabens (12) ein optisches Polymer ist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial (15) mit dem optischen Polymer der die Pufferschicht (14) überdeckenden Schicht (16) iden­ tisch ist.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der glasfaserseitige Endbereich (17a) des Lichtwellenleiters (17) adiabatisch auf den Durchmesser des Glasfaserkerns (19) aufgeweitet ist.

8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine laterale und/oder vertikale Aufweitung vorgesehen ist.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der glasfaserseitige Endbereich (17b) des Lichtwellenleiters (17) spitz zuläuft und in einem weiteren Lichtwellenleiter (21) mit niedrigerem Brechungs­ index mündet, der sich bis zum Glasfaserkern (19) erstreckt.

10. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Lichtwellenleiter (21) eine größere Aus­ dehnung in der Breite und/oder in der Tiefe aufweist und der Dimensionierung des Glasfaserkerns (19) an der Kopplungs­ endfläche angepaßt ist.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feldanpassung des Lichtwellenleiters (17) zur Glasfaser (11) hin der den Lichtwellenleiter (17) umgebende Bereich der optischen Polymer-Schicht (16) einen adiabatischen, den Brechungsindexunterschied zwischen Licht­ wellenleiter (17) und diesen umgebenden Bereich zur Glas­ faser hin verringernden Indexverlauf aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Bauelements, wie eines Modulators, Richtkopplers, Schalters, Polarisators, Verteilers od. dgl., das einen auf einem mit wenigstens einer optischen Pufferschicht mit niedrigem Brechungsindex versehenen Siliziumsubstrat angeordneten Lichtwellenleiter aus einem optischen Polymer aufweist, wobei zur Aufnahme einer an den Lichtwellenleiter anzu­ koppelnden Glasfaser ein Positioniergraben mit V-förmigem Querschnitt im wesentlichen fluchtend zum Lichtwellenleiter mittels einer eine langgestreckte Maskendurchbrechung auf­ weisenden Belichtungsmaske in das Siliziumsubstrat anisotrop eingeätzt wird, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ätzen des Positioniergrabens (12)

• a) die optische Pufferschicht (14) aufgebracht wird,
• b) darüber eine Schicht (16) aus einem optischen Polymer aufgebracht wird, wobei vorher oder gleichzeitig der Positioniergraben (12) mit einem Kunststoffmate­ rial (15) ausgefüllt wird,
• c) durch entsprechende örtliche Belichtung oder Thermo­ polung dieser Schicht (16) der Lichtwellenleiter (17) gebildet wird und
• d) der Positioniergraben (12) bis zu einer vertikal zur axialen Richtung des Lichtwellenleiters (17) verlaufenden, eine Kopplungsendfläche bildenden Ebene (18) freigelegt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Schicht (16) und das Ausfüllen des Positioniergrabens (12) in einem Arbeitsgang mit demselben optischen Polymer durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Belichtungsmaske auf die Polymer-Schicht (16) aufgelegt und durch Fotopolymerisation eine Brechungs­ indexerhöhung in einem Bereich durchgeführt wird, der als Lichtwellenleiter (17) dienen soll.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Belichtungsmaske auf die Polymer-Schicht (16) aufgelegt und durch einen UV-Fotoausbleichprozeß eine Brechungsindexreduzierung von Bereichen durchgeführt wird, die den Lichtwellenleiter (17) begrenzen.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Optimierung der Feldanpassung zwischen Glas­ faser (11) und Lichtwellenleiter (17) eine adiabatische Aufweitung des Lichtwellenleiters (17) vor dem Glasfaserkern (19) durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur lateralen Aufweitung bis auf den Durchmesser des Glasfaserkerns (19) eine Belichtungsmaske mit sich auf­ weitender Maskenöffnung verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur vertikalen Aufweitung bis auf den Durch­ messer des Glasfaserkerns (19) die Belichtungsintensität und/oder die Belichtungszeit zur Glasfaser hin rampenartig vergrößert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem ersten Belichtungsschritt mit einer ersten Belichtungsmaske ein erster, spitz zur Glasfaser (11) hinzulaufender Lichtwellenleiter (17) gebildet wird, und daß in einem zweiten Belichtungsschritt mit einer zweiten Belichtungsmaske ein zweiter, den ersten Lichtwellenleiter (17) mit der Kopplungsendfläche verbindender Lichtwellen­ leiter (21) mit geringerem Brechungsindex gebildet wird, wobei der zweite Lichtwellenleiter (21) in seinem Durch­ messer dem Glasfaserkern angepaßt ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belichtungsmaske mit variabler Transparenz für eine Nachbelichtung der Schicht (16) ver­ wendet wird, die faserseitig eine höhere Transparenz und lichtwellenleiterseitig eine geringere Transparenz auf­ weist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilegung des Positioniergrabens mittels eines Lasers durchgeführt wird (Laser-Ablation).

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von nebeneinanderliegen­ den Anschlüssen, Positioniergräben (12) und Lichtwellen­ leitern (17) gleichzeitig hergestellt wird.