DE69209982T2

DE69209982T2 - Verfahren zur Herstellung von Vollpolymer-basierten Stegwellenleitern

Info

Publication number: DE69209982T2
Application number: DE69209982T
Authority: DE
Inventors: Alain Carenco; Regine Levenson; Julienne Liang; Joseph Zyss
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1992-11-26
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-11-27
Also published as: EP0544596A1; US5291574A; FR2684239A1; EP0544596B1; DE69209982D1; FR2684239B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von optischen Wellenleitern auf der Grundlage von Polymermaterialien.
Optische Fasern werden nicht nur zum übertragen von Information, sondern auch zum Verarbeiten von Information im weitesten Sinne verwendet. So kann man durch das Zuordnen eines optischen Wellenleiters zu integrierten optischen Schaltungen Funktionen wie Modulation, Kommutation, Multiplexing, Repolarisation usw. realisieren.
Herkömmlicherweise werden optische Leiter mit einer seitlichen Begrenzung auf der Oberfläche eines Lithiumniobat-Monokristalls durch Dotieren des Kristalls, im allgemeinen mit Titan, das durch thermische Diffusion eingebracht wird, realisiert. Die dotierte Region erfährt eine Erhöhung des Brechungsindex und wird daher für Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich leitend.
Die bereits verwendeten leitenden Strukturen sind insbesondere die folgenden:
- "Photobleaching", wobei das Prinzip auf der Verringerung des Brechungsindex des aktiven Polymers nach einer Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung beruht,
- "SPP", bei dem ein metallischer Streifen auf der aktiven Schicht abgeschieden wird. Die sich in dem Material befindenden aktiven Moleküle werden durch das Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem Streifen und dem Sub strat orientiert. Unter dem metallischen Streifen wird der außerordentliche Index erhöht, während der ordentliche Index durch den Pockelseffekt verringert wird. Der Teil der aktiven Schicht, der sich unter dem metallischen Streifen befindet, wird also ein optischer Leiter für eine TM-Welle "in der Ebene der Schicht polarisiert),
- "Channel Waveguides", bei denen das Licht in dem aktiven Polymer über dem vertieften Abschnitt der Pufferschicht durch Änderung des effektiven Brechungsindex in dieser Zone beschränkt wird.
Die vorangehend beschriebenen Strukturen weisen alle denselben Nachteil auf: die seitliche Begrenzung ist schlecht, weil sie auf relativ geringen Unterschieden des Index (von der Größenordnung von 5 10&supmin;³) beruht. Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Herstellungsverfahren für optische Wellenleiter, das sehr große Unterschiede des Brechungsindex zu beiden Seiten des aktiven Führungsstreifens gestattet und die seitliche Beschränkung durch Verringerung der Lichtverluste verbessert: Der Unterschied des Brechungsindex (0,01 < Δn " 0,4) ist in Abhängigkeit von verschiedenen verwendeten Materialien variabel. Diese Güte der seitlichen Beschränkung ist fundamental, weil man sich zu komplexeren Bauteilen hin orientiert. Bei Bauteilen wie elektrooptischen Kreuzungen, bei denen die Schnittwinkel der Leiter im Bereich von einem Grad liegen, führt eine schlechte Beschränkung der Lichtwelle nämlich zu Lichtverlusten von einem Leiter zu dem anderen und daher zu einem Nebensprechen zwischen den Kanälen.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters in Form eines Streifens vollständig auf der Grundlage von Polymermaterialien, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
- Abscheiden einer unteren Pufferpolymerschicht mit einem geringen Brechungsindex auf einem Halbleitersubstrat,
wobei diese Schicht danach stabilisiert und getrocknet wird und dann auf eine Temperatur nahe der Temperatur des Glasübergangs des Polymers erhitzt wird,
- das Abscheiden einer Schicht aus einem Polymer mit einem größeren Brechungsindex auf der unteren Schicht, welche dafür bestimmt ist, den späteren Leiterstreifen zu bilden, wobei die Abscheidung von einem Erhitzen gefolgt ist, um das Polymer zu stabilisieren, ohne seine Eigenschaften zu ändern,
- die Abscheidung einer Schicht aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) auf der Polymerschicht,
- das Abscheiden einer Schicht aus einem lichtempfindlichen Harz auf der Nitridschicht und das anschließende Übertragen der Geometrie des auf der Harzschicht zu bildenden Streifens durch Photolithographie,
- das selektive Angreifen der Siliciumnitridschicht durch ein CF&sub4;-Plasma, wobei der zu bildende Streifen durch das lichtempfindliche Harz geschützt bleibt,
- das selektive Angreifen des lichtempfindlichen Harzes und des Polymers, das dafür bestimmt ist, den Leiterstreifen zu bilden, an den Stellen, wo dieses nicht durch die Siliciumnitridschicht geschützt ist,
- das Angreifen dieses Polymers, bis die untere Polymer- Pufferschicht freigelegt ist,
-das Angreifen der Siliciumnitridschicht, welche den auf diese Weise gebildeten Polymerstreifen schützt, und
- das Abscheiden einer oberen Pufferpolymerschicht mit einem geringen Brechungsindex auf der so gewonnenen Struktur, wobei diese Schicht dann unter Temperaturbedingungen erhitzt wird, die in der Nähe von denjenigen liegen, die für das Stabilisieren des den Leiterstreifen bildenden Polymers verwendet wurden.
Das Abscheiden der Siliciumnitridschicht wird vorzugsweise durch die sogenannte Plasmasputter-Technik realisiert. Die anderen Abscheidungen werden vorzugsweise mit der Schleuderbeschichtungs technik (Spin-Coating) durchgeführt.
Die Temperatur beim Erhitzen des aktiven Polymers liegt vorzugsweise über 50ºC und stärker bevorzugt in der Nähe von 100ºC.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleitersubstrat Galliumarsenid (GaAs).
Je nach der gewünschten Anwendung können die den Leiter bildenden Polymermaterialien passive Materialien oder auch Materialien mit elektrooptischen Eigenschaften sein. Zum Beispiel kann der Leiterstreifen ein passives Material ohne elektrostatische Eigenschaften wie Polystyrol sein, wenn man optoelektronische Elemente, insbesondere für die Realisierung eines optischen Leiters, eines Polarisators oder eines Teilers, integrieren will. Umgekehrt umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren, wenn man ein Material mit elektrooptischen Eigenschaften integrieren will, einen zusätzlichen Schritt, welcher in der Orientierung der in dem Leiterstreifen befindlichen Molekülen besteht, um das Material elektrooptisch zu machen. In diesem Fall kann der Leiterstreifen ein Material mit einer quadratischen Nichtlinearität, wie Polymethylmethacrylat, das mit Molekülen mit einer stark nichtlinearen Suszeptibilität dotiert ist, wenn es um einen Freguenzverdoppler, einen Modulator, einen Schalter, einen elektrooptischen Komplex oder um einen parametrischen Verstärker handelt, oder ein Material mit einer kubischen Nichtlinearität, wenn es um Kerr-Modulatoren oder um ein optisches Gatter geht, oder auch um fluoreszierendes Material sein, wenn es um einen abstimmbaren Laser geht.
Wenn der Leiterstreifen aus einem Material besteht, das eine quadratische Nichtlinearität aufweist, wie dotiertes Polymethylmethacrylat, kann dieses letztere mit Hilfe von aktiven Molekülen wie den nachstehend beschriebenen dotiert sein:
Die Pufferpolymere müssen mit den verschiedenen Schichten kompatibel sein und einen geringeren Brechungsindex als das verwendete aktive Polymer besitzen. Nach einem der Merkmale der vorliegenden Erfindung liegt die Differenz des Brechnungsindex zwischen den zwei Polymer-Pufferschichten, der oberen und der unteren, zwischen 0,005 und 0,5 und vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,4. Das die untere Leiterschicht bildende Pufferpolymer kann zum Beispiel Spin On Glass (SOG), das einen Brechungsindex von 1,4 besitzt, und das die obere Leiterschicht bildende Pufferpolymer reines Polymethylmethacrylat sein, das einen Brechungsindex von 1,49 besitzt.
Das aktive Polymer, das die Leiterstreifen bildet, wird aus Polymeren gewählt, die aus Molekülen bestehen, die ein hohes Dipolmoment und eine nichtlineare Suszeptibilität zweiter Ordnung besitzen. Diese Polymere können freie Polymere oder auch gepfropfte Polymere sein.
In einer bevorzugten Ausführungsforin der Erfindung ist das aktive Polymer dotiertes Polymethylmethacrylat.
Nach einer der Varianten der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrode hinzugefügt, entweder auf der gesamten Oberfläche des die obere Schicht des Leiters bildenden Polymers oder selektiv, um Frequenz zu gewinnen.
Nach einer anderen Variante besitzt der Leiter keine Steuerelektrode auf seiner oberen Schicht und kann als passiver Leiter zum Leiten des Lichts verwendet werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet es, eine Leiterstruktur herzustellen, in welcher der Leiterstreifen eine passives Material oder ein Material mit einer quadratischen Nichtlinearität oder ein Material mit einer kubischen Nichtlinearität oder auch ein fluoreszierendes Material ist.
Die nachfolgenden Beispiele und Figuren sind dafür bestimmt, weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung herauszustellen, ohne jedoch deren Umfang zu begrenzen.
Die Figuren 1 bis 6 illustrieren ein Beispiel einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beisdiel 1:

Beispiel einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens

Das hier beschriebene Verfahren, welches es gestattet, optische Wellenleiter zu gewinnen, setzt Schleuderbeschichtungstechniken, Photolithographie und reaktives lonenätzen gemäß dem folgenden Prozeß ein, der in den mit 1 bis 6 numerierten Figuren aufgegliedert ist.

Figur 1:

Man scheidet auf einem Halbleitersubstrat (1), wie Galliumarsenid, eine Polymerschicht (2) mit geringem Index, wie SOG, durch Schleuderbeschichtung ab. Diese Schicht wird dann stabilisiert und getrocknet und dann auf eine hohe Temperatur (450ºC für SOG) erhitzt. Dotiertes PMMA, welches das aktive Polymer (3) bildet, wird durch Schleuderbeschichtung auf der ersten Schicht abgeschieden und dann auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, um die Schicht zu stabilisieren, wobei man dafür Sorge trägt, daß die aktiven Moleküle nicht verändert werden. Bei diesem Beispiel beträgt die Temperatur ungefähr 100ºC.

Figur 2:

Eine Siliciumnitridschicht (SiN&sub4;) mit 0,15µm (4) wird durch Verdampfen mit dem Plasmasputter-Verfahren abgeschieden.

Figur3:

Eine Schicht aus einem lichtempfindlichen Harz (5) wird durch Schleuderbeschichtung abgeschieden. Die Geometrie der Streifen wird dann auf das Harz durch Photolithographie übertragen.

Figur 4:

Die Siliciumnitridschicht (4) wird selektiv durch CF&sub4;- Plasmaätzen geätzt. Das Ätzen hört dann auf dem Niveau der aktiven Polymerschicht (3) auf und die Streifen werden durch das lichtempfindliche Harz geschützt.

Figur 5:

Die aktive Polymerschicht wird danach selektiv mit einem O&sub2;-Plasma geätzt. Das aktive Polymer wird daher an Stellen geätzt, wo es nicht durch die Siliciumnitridschicht geschützt ist. Die Geschwindigkeit des Ätzens des Polymers (0,1 pm/mm) ist bekannt; man beendet das Ätzen, wenn die untere Schicht freigelegt ist.

Figur 6:

Ein letztes Plasmaätzen beseitigt die Siliciumnitridschicht, welche die Streifen aus aktivem Polymer schützt. Eine Polymerschicht mit geringem Index (6) wird dann durch Schleuderbeschichtung auf der Struktur abgeschieden. Diese Schicht wird auf dieselbe Temperatur erhitzt wie die der aktiven Schicht.

Beispiel 2:

Orientierung der Moleküle

Die Moleküle des aktiven Polymers können orientiert werden, um das Material elektrooptisch zu machen. Diese Orientierung kann durch eine Koronarentladung unter Anlegung eines hohen elektrostatischen Feldes von ungefähr 100 V/µm über dreißig Minuten bei einer Temperatur nahe der Temperatur des Glasübergangs herbeigeführt werden und dann wird das Feld aufrechterhalten, während die Schicht bis auf die Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

Beispiel 3:

Verwendung der Leiterstruktur in einem Phasenmodulator

Eine auf 45ºC polarisierte Welle wird in dem optischen Leiter mit Hilfe eines elektrischen Feldes, das an die Anschlüsse des aktiven Materials angelegt wird, eingekoppelt und dann wird die Phasenverschiebung zwischen den Polarisationen TE und TM, die am Ausgang des Leiters nach einem gekreuzten Polarisator detektiert werden, moduliert.
Propagationsverluste in dieser Struktur in der Größenordnung von 1 bis 2 dB/cm wurden ermittelt. Der elektrooptische Koeffizient des verwendeten Polymers beträgt 7 pm/V, was zu einer Spannung von 20 V für eine aktive Elektrode über 1 cm führt. Die Geometrie der Steuerelektroden ist der Parameter, welcher die Begrenzung im Durchlaßband bestimmt. Indem man die Eigenschaften des aktiven Materials verbessert und die verschiedenen Dicken der Schichten optimiert, kann man eine Steuerspannung von der Größenordnung eines Volts anstreben.
Für denselben Materialtyp kann man, inden man einfach die für das Photoätzen verwendete Maske ändert, Elemente wie integrierte Modulatoren, elektrooptische X-Verzweigungen, gerichtete Koppler usw. realisieren.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines integrierten optischen Wellenleiters in der Form eines Streifens vollständig auf der Grundlage von Polymermaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Abscheiden einer unteren Schicht (2) aus einem Pufferpolymer mit einem geringen Brechungsindex auf einem Halbleitersubstrat (1), wobei diese Schicht danach stabilisiert und getrocknet wird und dann auf eine Temperatur nahe der Temperatur des Glasübergangs dieses Polymers erhitzt wird,

- Abscheiden einer Schicht (3) aus einem Polymer mit einem höheren Brechungsindex auf der unteren Schicht, welche dafür bestimmt ist, den späteren Leiterstreifen zu bilden, wobei auf dieses Abscheiden ein Erhitzen folgt, welches dazu dient, dieses Polymer zu stabilisieren, ohne seine Eigenschaften zu verändern,

- Abscheiden einer Schicht (4) aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) auf der Polymerschicht (3),

- Abscheiden einer Schicht (5) aus einem lichtempfindlichen Harz auf der Nitridschicht und das anschließende Übertragen der Geometrie des zu bildenden Streifens auf die Harz schicht durch Photolithographie,

- selektives Angreifen der Siliciumnitridschicht durch ein CF&sub4;-Plasma, wobei der zu bildende Streifen durch das lichtempfindliche Harz geschützt bleibt,

- selektives Angreifen des lichtempfindlichen Harzes und des Polymers, das dafür bestimmt ist, den Leiterstreifen zu bilden, an den Stellen, wo dieses nicht durch die Siliciumnitridschicht geschützt ist,

- Angreifen dieses Polymers, bis die untere Schicht aus einem Pufferpolymer freigelegt ist,

- Ätzen der Siliciumnitridschicht, welche den so gebildeten Polymerstreifen schützt, und

- Abscheiden einer oberen Schicht (6) aus einem Pufferpolymer mit geringem Brechungsindex auf der so gewonnenen Struktur, wobei diese Schicht dann unter Temperaturbedingungen erhitzt wird, welche in der Nähe derjenigen liegen, die für das Stabilisieren des Polymers, das den Leiterstreifen bildet, verwendet wurden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) Galliumarsenid (GaAs) ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermaterialien elektrooptische Eigenschaften haben.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man aktive Moleküle, die sich in dem Leiterstreifen befinden, insbesondere durch Koronarentladung orientiert, um die Materialien elektrooptisch zu machen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koronarentladung über 30 Minuten bei einer Temperatur nahe der Temperatur des Glasübergangs angelegt wird und dann aufrechterhalten wird, während die Schicht bis auf die Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (2) aus einem Pufferpolymer durch die sogenannte Schleuderbeschichtungstechnik ("Spin- Coating") abgeschieden wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daß die untere (2) und die obere (6) Schicht aus einem Pufferpolymer aus einem Polymer mit einem geringeren Brechungsindex als demjenigen des Polymers, das den Leiterstreifen bildet, bestehen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (2) des Pufferpolymers aus SOG (Spin On Glass) besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer, welches dafür bestimmt ist, den Leiterstreifen zu bilden, aus Polymeren ausgewählt ist, welche aus Molekülen bestehen, die ein hohes Dipolmoment und eine nichtlineare Suszeptibilität zweiter Ordnung aufweisen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer, das dafür bestimmt ist, den Leiterstreifen zu bilden, dotiertes Polymethylmethacrylat ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer, welches dafür bestimmt ist, den Leiterstreifen zu bilden, auf der ersten Schicht aus einem Pufferpolymer durch Schleuderbeschichtung abgeschieden wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumnitridschicht (4) durch die sogenannte Plasmasputter-Technik aufgebracht wird und eine Dicke von der Größenordnung von 0,15 µm besitzt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Harz durch Schleuderbeschichtung aufgebracht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schicht (6) aus einem Pufferpolymer durch Schleuderbeschichtung abgeschieden wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schicht (6) aus einem Pufferpolymer aus reinem Polymethylmethacrylat besteht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schichten (4, 6) aus einem Pufferpolymer, die obere und die untere, einen Unterschied des Brechungsindex aufweisen, der zwischen 0,005 und 0,5 und vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,4 und noch stärker bevorzugt bei 0,1 liegt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Steuerelektrode auf der Struktur abgeschieden wird.