DE4411860C2 - Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Wellenleiterstrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Wellenleiterstruktu­ ren.

Die dreidimensionalen Wellenleiterstrukturen werden auf dem Gebiet der miniaturisierten Optik (Integrierte Optik, Mikrooptik) für Anwendungen in der Informationsübertragung, der Informationsverarbeitung und der Meßtechnik verwendet.

Integrierte Optik und Mikrooptik nutzen derzeit planare Techniken zur Erzeugung der Strukturen und der für optische Wellenleiter notwendigen Brechungsindexänderungen (Karthe, W., Müller, R.: Integrierte Optik; Akademische Verlagsgesellschaft Gest & Portig K.-G. Leipzig 1991).

Die planaren Wellenleiterstrukturen erfordern zusätzliche Maßnahmen, um die für die Bauelementfunktion notwendigen Mikrostrukturen, wie Wellenleiterstirnflächen, Füh­ rungsnuten oder Hilfsstrukturen für passive Justage (zum Beispiel für die Faserankopp­ lung) zu erzeugen. Diese Strukturen müssen in weiteren technologischen Schritten mit hohen Forderungen an die Justiertoleranzen zum Wellenleiter erzeugt werden, oder Fa­ sern bzw. Laser müssen aktiv zu den Wellenleitern justiert werden (im Betriebszustand).

Es gibt verschiedene Verfahren, die Wellenleiter auf der Grundlage der Planartechnolo­ gien herzustellen. Lateral strukturierte Brechungsindexänderungen werden zum Beispiel durch Bestrahlung (z. B. UV, Ionenstrahl) eines geeigneten Materials hervorgerufen. Dazu werden zur Erzeugung von Strukturen spezielle Maskierungen benötigt, die entsprechend justiert werden müssen (Frank, W. F. X., Kulsch, J., Franke, H., Rück, D. M., Brunner, S., Lessard, R. A.: "Optical waveguides in polymer materials by ionimplantation" SPIE Proc. 1559 (1991), S. 344-353).

Mikrostrukturen für integrierte Optik werden auch durch Abformung eines Originals erzeugt.

Bekannt ist die "Sandwich-Technik", bei der die Struktur einer Maske in ein Substrat abgeformt wird (Dannenberg, P. et al. Fabrication of Monomode Polymer Waveguides by Replication Technique in: Integrated Optics and Micro-Optics with Polymers; B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Stuttgart - Leipzig 1993, S. 211 bis 218).

Bekannt ist weiterhin das "Aufschleuderverfahren", bei dem ein dünner Polymerfilm auf ein Glassubstrat aufgeschleudert wird. Nachfolgend erfolgt eine Übertragung der Struktur einer Maske in den Polymerfilm (Baraldi, L., Gale, M. T., Söchtig, J., Opplinger, Y., Staufer, J. M., Meissner, J.: Fabrication of Single-Mode Ridge Waveguide Structures by Embossing into Polycarbonate on Glass in Europ. Conf. on Opt. Commun. ECOC'92 Bln., paper We-P 2.24, Proc. S. 561-564). Mit diesen Verfahren können Strukturen für Wellenleiter geschaffen werden, wobei zusätzliche (nichtoptische) Mikrostrukturen (z. B. Faserankopplung) mit aufgebracht werden. In einem weiteren Prozeßschritt werden mit einem hohen Justieraufwand definierte Brechzahländerungen in Bereichen des Materials erzeugt, die eine Wellenleiterfunktion realisieren sollen.

Bekattnt sind weiterhin übereinandergeschichtete planare Stukturen. Eine Kopplung der verschiedenen Ebenen ist möglich (Baba, T., Kokubun, Y., Sakaki, T., Iga, K: "Loss Reduction of an ARROW Waveguide in Shorter Wavelength and Its Stack Configuration" in Journal of Lightwave Technology, Vol. 6, No. 9, 1988, S. 1440-1445). Wellenleiter mit einer Ausbreitung senkrecht zu den Ebenen können nicht hergestellt werden.

Bekannt sind auch sogenannte Rippenwellenleiter, bei denen in einer flächigen Be­ schichtung eines Substratmaterials eine Rippe aus dem gleichen Material herausgebildet ist (EP 0 420 173 A2).

Schließlich ist auch ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Wellenleiterstrukturen bekannt (JP 1-27 17 10 (A), Abstract), das durch die Abfolge folgender Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: Herstellung einer Streifenstruktur (Gräben) durch Abformung einer Preßform in einem aus polymerisationsfähigem Harz bestehenden plattenförmigen Basiskörper; Aushärten des Harzes; Verfüllen der Gräben mit einem höherbrechenden Harz, wobei sich eine Deckschicht höherbrechenden Harzes über der Streifenstruktur ausbildet; Vernetzen des höherbrechenden Harzes in den Gräben durch Bestrahlung von der Rückseite des Basiskörpers her; Entfernen der Deckschicht mit Hilfe eines Lösungsmittels; Aufbringen einer Schutzschicht. Nachteilig bei diesem vergleichsweise aufwendigen Verfahren ist insbesondere das Entstehen einer Deckschicht, die letztlich mit Hilfe eines Lösungsmittels wieder entfernt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von dreidimen­ sionalen, leicht justierbaren Wellenleiterstrukturen anzugeben, das eine preisgünstige Massenproduktion ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, wie es im Anspruch 1 definiert ist oder mit einem Verfahren, wie es im Anspruch 2 angegeben ist, erfindungsgemäß gelöst. Gün­ stige Weiterbildungen dieser Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche 3 bis 9.

Gemäß der Erfindung wird die Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen durch ein Abformverfahren, zum Beispiel Gießen, Prägen, Spritzprägen, Spritzguß, mit der simulta­ nen oder anschließenden Generierung einer ebenfalls strukturierenden Brechzahlände­ rung oberflächennaher Bereiche durch eine Bestrahlung mit ionisierender Strahlung, z. B. UV, oder Ionen verbunden.

Dabei wird zunächst mittels eines Abformwerkzeugs die dreidimensionale Struktur in ein Polymer übertragen, das solche Eigenschaften hat, daß sich Brechzahländerungen durch Bestrahlung erzeugen lassen.

Die Kombination von Abformung und Bestrahlung wird dazu genutzt, daß die dreidimen­ sionale Struktur und die strukturierte Brechzahländerung selbständig in gewünschter Weise räumlich zueinander justiert werden.

Hauptvorteil ist die Selbstjustierung der Brechzahländerung im Material zu der abgeform­ ten optischen Struktur und die gleichzeitige und damit anschlußgenaue Herstellung von zusätzlichen Strukturen, die nichtoptische Funktionen (Halterungen für Sende- und Emp­ fangsarrays, Faserankopplungen) haben.

Realisiert wird dies erstens dadurch, daß ein Abformwerkzeug mit einer räumlich unter­ schiedlichen Durchlässigkeit für die Strahlung eingesetzt wird. Damit dient das Abform­ werkzeug gleichzeitig als Maske für die noch vor der Entformung durchgeführte Bestrah­ lung.

Realisiert wird dies zweitens dadurch, daß die erzeugte dreidimensionale Struktur selbst die Struktur bzw. die Maske für die Erzeugung der Brechungsindexänderung in bestimmten Bereichen darstellt.

Die Bestrahlung erfolgt großflächig auf das Abformwerkzeug oder das Polymersubstrat mit diffuser oder gerichteter Strahlung. Mit dem Verfahren werden mikrooptische und integriert-optische Bauelemente im Polymermaterial erzeugt, die eine dreidimensionale Topologie der Strukturen realisieren. Die dreidimensionale Mikrostruktur wird als Oberflächenrelief eingebracht und darauffolgend eine Änderung des Brechungsindex in oberflächennahen Materialbereichen (1 bis 10 µm) durch Bestrahlung aus einer oder mehreren Raumrichtungen generiert.

Das Verfahren ermöglicht in einfacher Weise dis Erzeugung von integriert-optischen Strukturen, dis von der üblichen planaren (in Ebenen liegenden) Geometrie abweichen, und eine wirkliche geometrische Ausdehnung in die dritte Dimension realisiert.

Das Verfahren ermöglicht die Verwendung einer vergleichsweise einfachen Vorrichtung. Sie besteht im ersten Fall aus einer Presse mit dem teilweise strahlungsdurchlässigen Abformwerkzeug zur Erzeugung der Struktur. Über dem Abformwerkzeug ist eine Bestrahlungseinrichtung zur ganzflächigen Bestrahlung des die Maske 13 tragenden Abformwerkzeuges (mit UV-Licht oder Ionenstrahlen) angeordnet.

Sie besteht im zweiten Fall aus einer Presse mit dem Abformwerkzeug zur Erzeugung der Struktur und einer Bestrahlungseinrichtung zur ganzflächigen Bestrahlung des strukturierten Polymersubstrates (mit UV-Licht oder Ionenstrahlen), wobei die Struktur selbst die Maske für die gezielte Belichtung bestimmter Bereiche darstellt.

Mit dem Verfahren werden neuartige variabel gestaltbare bzw. komplexere Strukturen möglich.

Insbesondere können senkrecht zu planaren Strukturen verlaufende Wellenleiterausgänge und Streifen-Wellenleiter in allen drei Raumrichtungen innerhalb einer kompakten Vernetzung integriert-optischer Schaltungen realisiert werden. Außerdem ist die Einbeziehung von Arrays von Lichtquellen und Empfängern möglich.

Mit der Struktur des Polymersubstrates abgeformte Aufnahmebacken nehmen das Array in einer vorbestimmten Weise auf und halten es dauerhaft auf dem Polymersubstrat fest. Die aktiven Elemente des Arrays sind durch die Montage zu den Koppelstellen dar Wellenleiter justiert. Die Wellenleiter, die an den Koppelstellen enden, verlaufen aus der Substratoberfläche heraus und enden vorzugsweise in senkrechter Richtung zur Substratoberfläche.

In vielen Anwendungsfällen ist die zueinander justierte Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen und Brechungsindexänderungen erforderlich. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das ohne aktive Justierung realisierbar. Gegenüber den bekannten Verfahren sind Bauelemente mit entsprechenden Eigenschaften deutlich einfacher und kostengünstiger als bisher herstellbar. Es können insbesondere neuartige Strukturen in großen Stückzahlen hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: Erzeugung einer Wellenleiterstruktur in Plexiglas (PMMA) durch Abformung und nachfolgende ganzflächige Belichtung

Fig. 2: Erzeugung einer Wellenleiterstruktur im Plexiglas mit Hilfe einer Belichtung durch das Abformwerkzeug hindurch

Fig. 3: Dreidimensionaler Streifen-Wellenleiter mit Umlenkspiegel

Fig. 4: Geodätische Wellenleiterlinse

Fig. 5: Abgeformtes Gitter mit Schichtwellenleiter

Fig. 6: Wellenleiterstrukturen in dreidimensionaler Anordnung

Fig. 7: Beidseitig abgeformte und bestrahlte Polymerfolie

Fig. 8: Aus der Ebene herausgeführte Wellenleiter in einer flexiblen Polymerfolie

Fig. 9: Selbstjustierende Faserankopplung

Fig. 10: Ankopplung eines Arrays

Fig. 1 zeigt den Verfahrensablauf zur Erzeugung einer Wellenleiterstruktur in Plexiglas (PMMA) mit einem entsprechend der gewünschten Struktur geformten Abformwerkzeug. Mittels Mikrospritzguß wird ein PMMA-Formteil erzeugt, das eine dreidimensionale Struktur hat. Im Beispiel ist mit Hilfe der Druckkraft 6 die Struktur des Abformwerkzeuges 2 in die Oberfläche des flachen Polymersubstrates 1 eingeprägt. Es ist eine Struktur 4 dargestellt, die aus drei Wellenleitergräban besteht. Nach dem Ausformen des Polymersubstrates 1 entstehen mittels einer Belichtung durch eine großflächige, gerichtete UV- Bestrahlung 3 im Bereich der Grabenböden optische Streifen-Wellenleiter 5 dadurch, daß mit der Bestrahlung eine Brechzahlerhöhung in der gesamten bestrahlten Oberfläche einhergeht.

Die Reliefstruktur wirkt bei der Belichtung als Maske für die Strahlung. Die Brechzahlerhöhung in den erhöhten Oberflächenbereichen stört in der Regel die Funktion der Wellenleiter-Bauelemente nicht. In den Gräben entstehen genau positionierte Wellenleiter 5.

Fig. 2 zeigt den Verfahrensablauf zur Erzeugung einer Wellenleiterstruktur in Plexiglas (PMMA) mit einem entsprechend der gewünschten Struktur geformten teilweise strahlendurchlässigen Abformwerkzeug 2. Das Abformwerkzeug 2 wird mit einer Druckkraft 6 in das Polymersubstrat 1 gepreßt. Es entsteht eine Struktur 4 mit Eigenschaften, die optische und nichtoptische Funktionen realisiert. Das Abformwerkzeug 2 ist lichtdurchlässig und trägt eine Maske 13, die Strahlung 3 nur an vorbestimmten Stellen austreten läßt. An diesen Stellen entstehen Strukturen mit Brechzahlerhöhungen, die Wellenleiter 5 bilden. Die Formgebung der Struktur und deren Belichtung erfolgen mit einem Werkzeug. Dieses Werkzeug muß nur einmal als Original hochgenau hergestellt werden. Eine besondere Justage der Strukturen ist bei der Herstellung der Struktur 4 und der Wellenleiter 5 nicht notwendig.

Fig. 3 zeigt ein Abformwerkzeug 2 und ein abgeformtes Polymersubstrat 1. Das Abformwerkzeug ist dort teilweise lichtdurchlässig, wo Wellenleiterstrukturen erzeugt werden sollen. Im Beispiel wird ein Umlenkspiegel 7 dargestellt, der als in der Draufsicht dreieckförmige Struktur in das Polymersubstrat 1 eingeprägt ist. Mittels Bestrahlung durch das teilweise lichtdurchlässige Abformwerkzeug 2 sind Bereiche mit einer Brechzahlerhöhung ausgebildet, die Streifen-Wellenleiter 5 bilden. Zwei Streifen- Wellenleiter 5 erstrecken sich auf einer in dreidimensionaler Richtung ausgebildeten Oberfläche ("quasi 3D") und sind zueinander im vorzugsweise rechten Winkel angeordnet.

Es können mehrere derartige Strukturen aneinander gereiht werden, um Licht in beliebige Raumrichtungen zu lenken.

Fig. 4 zeigt eine abgeformte geodätische Linse 8 und einen durch ganzflächige Bestrahlung hergestellten Schicht-Wellenleiter 5.

Fig. 5 zeigt ein abgeformtes Gitter 9 als Struktur 4 und den durch ganzflächige Bestrahlung hergestellten Schicht-Wellenleiter 5.

Fig. 6 zeigt eine Struktur 4 mit Streifen-Wellenleitern 5, die in zwei parallelen Ebenen angeordnet sind. Das Bauelement wird durch Bestrahlen einer beidseitig geprägten dünnen Polymerfolie hergestellt. Im dargestellten Beispiel erfolgt eine ganzflächige beidseitige Bestrahlung. Es ist jedoch auch die Variante möglich, daß die Abformwerkzeuge 2 im Bereich der Erhöhungen (im Polymersubstrat sind das die Gräben) strahlendurchlässige Bereiche haben und eine Bestrahlung durch das eine Maske tragende Abformwerkzeug 2 erfolgt.

Fig. 7 zeigt ein flexibles, aus der Ebene herausgeführtes Streifen-Wellenleiterbündel 12. Das Polymersubstrat 1 ist auf einen Träger 11 in Form einer Folie aufgebracht. Nach der Strukturierung und Belichtung wird ein Streifen 12 des Polymersubstrates 1 vom Träger 11 zum Teil abgezogen. Dieser Streifen 12 enthält mindestens einen Streifen-Wellenleiter 5, der im Raum positionierbar ist.

Fig. 8 zeigt ein dreidimensional abgeformtes Polymersubstrat mit dreidimensional eingebrachter Brechzahländerung, die in drei Raumrichtungen verlaufende Streifen- Wellenleiterstrukturen erzeugt. Die Bestrahlung erfolgt ganzflächig aus mehreren Raumrichtungen, um das Polymersubstrat 1 herum.

Fig. 9 zeigt eine selbstjustierende Fasereinkopplung. Die Strukturen 4, 14 für die Aufnahme der Lichtleitfaser 15 und die Wellenleiter werden abgeformt und die Strukturen, die Wellenleiter 5 bilden sollen, werden anschließend bestrahlt. Die Bauelemente zeichnen sich durch zueinander selbstjustierende dreidimensionale Strukturen und zugehörige Brechzahländerungen im Polymersubstrat 1 aus. Die optische Wirkung im Bauelement wird durch die dreidimensionale Struktur und/oder durch die lokale Brechzahländerung hervorgerufen. Mit der Herstellung der optisch-wirksamen dreidimensionalen Struktur werden gleichzeitig weitere dreidimensionale Strukturen erzeugt, die nichtoptische Funktionen erfüllen. Im Beispiel ist das eine V-Nut 14, die zur Aufnahme einer Lichtleitfaser 15 dient. Die Aufnahme gewährleistet, daß die Lichtleitfaser 15 bei ihrer Montage auf der Weilenleiterstruktur zum Streifen-Wellenleiter 5 justiert ist.

Fig. 10 zeigt Strukturen, die in dreidimensionaler Weise so ausgebildet sind, daß diese direkt mit anderen optischen Bauelementen, wie zum Beispiel einem Array 10 von Lichtquellen oder Empfängern (aktive Elemente 17), zusammengeschaltet werden können. In das Polymersubstrat 1 geformte Aufnahmebacken 16 dienen zur genauen Positionierung der aktiven Elemente 17 des Arrays 10 zu den Koppelstellen 18 der Wellenleiter 5. Die Aufnahmebacken 16 dienen auch zur dauerhaften Fixierung des Arrays 10.

Bezugszeichenliste

1

Polymersubstrat

2

Abformwerkzeug

3

Strahlung

4

Struktur

5

Wellenleiter

6

Druckkraft

7

Umlenkspiegel

8

Linse

9

Gitter

10

Array

11

Träger

12

Streifen

13

Maske

14

V-Nut

15

Lichtleitfaser

16

Aufnahmebacke

17

aktives Element

18

Koppelstelle

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Wellenleiterstrukturen, bei dem mit Hilfe eines teilweise strahlungsdurchlässigen Abformwerkzeuges (2) in einem Polymersubstrat (1) eine dreidimensionale Struktur (4) erzeugt wird und das Polymersubstrat (1) vor der Entformung einer das Abformwerkzeug (2) teil­ weise durchdringenden Bestrahlung ausgesetzt wird, wobei das Abformwerkzeug (2) als Maske (13) dient und die Brechzahl der der Bestrahlung ausgesetzten oberflächennahen Bereiche des Polymersubstrates (1) bis in eine bestimmte Tiefe hinein verändert wird.

2. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Wellenleiterstrukturen, bei dem zunächst mit Hilfe eines Abformwerkzeuges (2) in einem Polymersubstrat (1) eine dreidimensionale Struktur (4) erzeugt wird und nach der Abformung das Polymersubstrat (1) von der die abgeformte dreidi­ mensionale Struktur (4) aufweisenden Seite aus ganzflächig einer Bestrahlung ausgesetzt wird, derart, daß die Brechzahl der der Bestrahlung ausgesetzten Oberflächenbereiche des Polymersubstrates (1) bis in eine bestimmte Tiefe hinein verändert wird und daß dabei die erhabenen oberflächennahe Bereiche selbst gegenüber den tiefer­ liegenden oberflächennahe Bereichen als Maske bei der Bestrahlung fungieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung durch UV-Licht erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung durch ionisierende Strahlung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bestrahlung zwei im Winkel aufeinanderzulaufende Wellenleiter (5) hergestellt werden und an der Winkelspitze eine als Umlenkspiegel (7) dienende, in der Draufsicht dreieckförmige Struktur in das Polymersubstrat (1) eingeprägt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymersubstrat (1) mit der abgeformten Struktur (4) und den zugeord­ neten Wellenleitern (5) als Folie auf einem Träger (11) aufgebracht und nachfol­ gend mindestens ein Teil der Folie vom Träger (11) abgezogen und im Raum, positioniert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (4) in drei Raumrichtungen ausgebildet wird, wobei dieser Struk­ tur (4) eine Struktur von durch Bestrahlung erzeugten Brechzahlenveränderungen zugeordnet ist, die in den oberflächennahen Bereichen durch Bestrahlung aus mehreren Richtungen eingebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (4) eine V-Nut (14) zur Lagerung einer Lichtleitfaser (15) erhält, zu deren Faserkern der durch Bestrahlung eingebrachte Wellenleiter (5) ausge­ richtet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Bestrahlung in den oberflächennahen Bereichen des Polymer­ substrats (1) erzeugten Wellenleiter (5) dreidimensional geformt werden, wobei mindestens ein Wellenleiter (5) eine Koppelstelle (18) erhält, die eine vorbe­ stimmte Lage zu mindestens einer im Polymersubstrat (1) geformten Aufnahme­ backe (16) hat, und die Anzahl und die räumliche Lage der Aufnahmebacken (16) durch ein zu fassendes Array (10) so bestimmt sind, daß mindestens ein aktives Element (17) mit der mindestens einen Koppelstelle (18) korrespondiert.