EP0877965A1 - Verfahren zur herstellung von optischen bauelementen und optisches bauelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung von optischen bauelementen und optisches bauelement

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EP0877965A1
EP0877965A1 EP97915270A EP97915270A EP0877965A1 EP 0877965 A1 EP0877965 A1 EP 0877965A1 EP 97915270 A EP97915270 A EP 97915270A EP 97915270 A EP97915270 A EP 97915270A EP 0877965 A1 EP0877965 A1 EP 0877965A1
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EP
European Patent Office
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optical waveguide
substrate
light
waveguide structure
exposure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97915270A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Sautter
Jörg BLECHSCHMIDT
Rainer Schink
Jürgen Graf
Peter LÖFFLER
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19702969A external-priority patent/DE19702969A1/de
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
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    • G02B2006/12195—Tapering
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide

Definitions

  • the invention relates to a method for producing optical components, in which at least one three-dimensional optical waveguide structure is produced in a light-sensitive substrate by subjecting the substrate to exposure in some areas, so that a refractive index difference between the substrate and the at least one a light waveguide structure is created, and an optical component.
  • optical components with integrated optical waveguide structures are known. These optical waveguide structures have a refractive index difference with respect to the substrate surrounding them, so that they are suitable for guiding optical waves.
  • a known method is described, for example, in US Pat. No. 5,136,677, in which chalcogenide glasses are subjected to exposure in some areas to produce the optical waveguide structure. In this case, exposure takes place in relatively thin substrates in the light wave transmission direction of the later optical waveguide. Structures. From US Pat. No. 5,136,677 it is also known that by means of two different light sources, crossing optical waveguide structures can be created in a substrate, the optical properties of the optical waveguide structures being able to be influenced by interference phenomena.
  • the optical waveguide structures produced enable the guidance of electromagnetic waves, for example light waves, which typically have a refractive index that is a few percent higher than the substrate surrounding the optical waveguide structure. Furthermore, a dimensioning of the optical waveguide structures lying perpendicular to the direction of light wave propagation is to be selected such that it is in the order of magnitude of the wavelength of the light to be guided, typically from 1 to 10 ⁇ m.
  • the number of modes of the light waves to be transmitted, which are guided at a certain wavelength can be set via the refractive index difference of the optical waveguide structure from the substrate and the dimensioning of the optical waveguide structures.
  • optical waveguide structures are usually produced in integrated optical components which are used, for example, as amplifiers, splitters, couplers,
  • optical fibers for example glass fibers
  • the problem here is that the glass fiber cross section must be coupled to the optical waveguide cross section.
  • the effective cross-section for common glass fibers is 5 to 10 ⁇ m.
  • the numerical aperture is to be observed, which describes the angular range from which an optical waveguide can receive incident light. Light that falls below a larger limit than the numerical aperture cannot be guided and is lost.
  • the small cross section of the optical waveguide structures in the integrated optical components inevitably leads to an increase in the numerical aperture, so that light signals emitted by the integrated optical components can only be partially transferred into the coupled glass fiber.
  • Optical waveguide structures and the glass fibers provide a so-called taper as a transition structure. This is intended to bring about a constant transition of the effective cross sections of the glass fibers and of the optical waveguide structures as well as of the numerical aperture.
  • optical waveguide structures in which optical waveguide structures are produced, for example, in glass, polymer or Ormocer substrates or in cover layers of silicon wafers by means of ion exchange, a local change in the stoichiometry of oxides or oxynitrides or a local filling of etched or embossed trench structures, the taper can only be incompletely formed.
  • a cross-sectional adjustment can only be made by widening the waveguide cross-section while maintaining the same depth.
  • the refractive index is often determined by the material properties and is therefore constant throughout the taper. This can lead to the taper becoming multimode in whole or in part, that is to say that directions of propagation are possible in it which the subsequent optical waveguide or the glass fiber cannot accommodate.
  • the method according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that high-precision optical waveguide structures, in particular transition structures designed as taper, can be created using simple technical means. With a coupling of optical waveguide structures and glass fibers possible with little loss. As a result of the fact that an at least two-fold exposure takes place at different angles of incidence of the light perpendicular to the direction of light wave propagation of the optical waveguide structures, as a result of which the substrate surrounding the later optical waveguide structure undergoes a refractive index depression, the definition of the optical waveguide structure being done by marking, which is preferably having a width which changes in the direction of light wave propagation, three-dimensional optical fiber structures can be achieved which, in addition to widening the optical fiber cross section, have an increasing depth. As a result, cross sections of optical waveguide structures in the coupling region to glass fibers can be created very advantageously, by means of which an adaptation of the effective cross sections of the optical waveguide structures and the glass fibers is possible.
  • the angles of incidence of the exposure can be adjusted variably in the direction of light wave propagation.
  • the cross-sectional adaptation can be further optimized via the taper, for example, from the optical waveguide structure in the direction of the glass fiber, which has a cross-section which is triangular in cross-section and widens like a trumpet.
  • the masking outside of the optical waveguide structure has a light transmittance that is variable in the direction of light wave propagation.
  • angles of incidence of the exposure are set in such a way that buried optical waveguide structures result.
  • additional capping of the optical waveguide structure produced to prevent external influences is no longer necessary. This simplifies the entire manufacturing process of the optical components with the optical waveguide structures.
  • the exposure takes place at different angles of incidence with alternating masking in order to produce buried optical waveguide structures.
  • a further optimization of the cross section of the optical waveguide structure is achieved at the coupling point between the optical waveguide structure and a glass fiber. It is possible to achieve rome-like (diamond-like) cross sections of the optical waveguide structures with cross sections increasing in the direction of light wave propagation. This enables a further optimized adaptation of the effective cross sections between the optical waveguide structure and a glass fiber.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of an optical component with an optical waveguide structure
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a mask for producing an optical waveguide structure
  • FIG. 5a method steps for producing a and 5b buried optical waveguide structure in a second embodiment variant.
  • FIGS. 1 a and 1 b each show a schematic sectional illustration of an optical component 10, on the basis of which the method according to the invention for producing an optical waveguide structure 12 is to be explained.
  • the method according to the invention the simplest construction of an optical component, namely the existence of only one optical waveguide structure 12, is assumed.
  • a multiplicity of optical waveguide structures 12 with different dimensions can be produced simultaneously by means of the method according to the invention.
  • the optical component 10 consists of a chalcogenide glass 14.
  • Chalcogenide glasses are generally understood to be glass-like products made from amorphous, non-stoichiometric compounds of the chalcogens.
  • the sulfides and selinides of arsenic (As), antimone (Sb), germanium (Ge), gallium (Ga), indium (In), bismuth (Bi), lanthanum (La) and mixtures thereof are preferred, provided that they form glass phases.
  • the glass used, in the exemplary embodiment chalcogenide glass 14, is provided with a mask 16, which consists of an opaque material.
  • the dimensions of the mask 16 are adapted to the optical waveguide structure 12 to be created in a manner which will be explained below.
  • the mask 16 can be applied to the chalcogenide glass 14 by means of generally known methods, for example by screen printing.
  • a first method step (FIG. 1 a), the chalcogenide glass 14 provided with the mask 16 is exposed, - from a source not shown, first a light 20 incident at an angle of incidence ⁇ to the surface of the chalcogenide glass 14 (exposure 20 ) is produced.
  • the photo energies of the light 20 used lie in the absorbing region of the chalcogenide glass 14.
  • the wavelength of the light 20 is therefore usually in the visible region or in the near ultraviolet region.
  • the wavelengths of the light 20 can be, for example, between 200 nm to 600 nm.
  • the light 20 incident at the angle of incidence ⁇ strikes the chalcogenide glass 14 except in an area 26 shaded by the mask 16 and leads there — with the exception of the shaded area 26 - a lowering of the refractive index of the chalcogenide glass 14.
  • the shaded region 26 thus has a higher refractive index than the rest of the substrate of the chalcogenide glass 14.
  • a degree of lowering the refractive index can be set via an exposure duration and / or an exposure intensity and / or via the wavelength of the light 20.
  • the exposure intensity of the light 20 is, for example, a few 1 to 100 J / cm 2 .
  • the exposure by means of the light 20 is usually carried out at room temperature and normal atmosphere, so that no additional outlay on equipment is required to maintain certain necessary process conditions.
  • an exposure is carried out with the light 20 at an angle of incidence ⁇ , so that the chalcogenide glass 14 is exposed with the exception of an area 28 shaded by the mask 16. Due to the fact that the angle of incidence ⁇ deviates from the angle of incidence ⁇ , the area 26 shaded according to FIG. 1 a is partially exposed, so that the refractive index is also lowered here.
  • the respectively unexposed area shaded during the two exposure steps according to FIGS. 1 a and 1 b leads to the formation of the optical waveguide structure 12, since this has a higher refractive index than the environment, that is to say the substrate of the chalcogenide glass 14.
  • the dimensioning of the fiber optic Structure 12, in particular its depth can be varied by choosing the angle of incidence ⁇ or ⁇ .
  • a further dimensioning of the optical waveguide structure 12, in particular its width and length, can be set by dimensioning the mask 16.
  • an optical waveguide structure 12 with any defined dimensioning and any dimensioned change in refractive index compared to that Base substrate of the chalcogenide glass 14 are generated.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a component 10 which has an integrated optical waveguide 12.
  • the light waveguide 12 has a channel-shaped section 22 and an end region 18 facing a transition region, hereinafter called taper 24.
  • the taper 24 has a triangular cross-section on the end face 18, which becomes continuously smaller in the section 22.
  • the section 22 can also have a triangular cross-section if it was produced, for example, by means of the method explained with reference to FIGS. 1 a and 1 b.
  • a funnel-shaped widening of the cross section of the entire optical waveguide structure 12 to the end face thus takes place quasi via the taper 24 18.
  • the taper 24 can be achieved by a corresponding shape of the mask 16 and a corresponding incidence of the light 20 during the exposure.
  • the mask 16 viewed in plan view — has a contour that widens trapezoidally or triangularly in the direction of the end face 18, so that a shaded area corresponding to the later taper 24 is created during the exposure 20 (FIGS. 1 a, 1 b).
  • the angle of incidence ⁇ or ⁇ of the exposure 20 can either be determined by a correspondingly movably mounted light source or a corresponding movement of the chalcogenide glass 14 with a uniformly aligned exposure 20.
  • a rotation into or out of the image plane can take place, so that optimally adapted taper 24 can be achieved.
  • the taper 24 is used to adapt the effective cross sections of the optical waveguide structure 12, in particular its section 22 and a glass fiber (not shown).
  • the taper 24 results in a constant transition — in the direction of light wave transmission indicated by an arrow 30 in FIG. 2 — both of the cross section of the light wave guide structure 12 and of the numerical aperture.
  • the arrow 30 is marked as a double arrow, since the optical waveguide structure 12 shown both for receiving an optical signal and can also be used to send an optical signal from component 10.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a chalcogenide glass 14 provided with the mask 16.
  • the mask 16 defines, on the one hand, the channel-shaped section 22 and the taper 24 of the later optical waveguide structure 12.
  • the optical waveguide structure 12 is produced by exposing the chalcogenide glass 14 in such a way that the light waves - Leader structure 12 forming, unexposed area remains.
  • FIGS. 4 and 5 show the production of buried optical waveguide structures 12 by means of the exposure 20 at different angles of incidence ⁇ and ⁇ .
  • the production of buried optical waveguide structures eliminates the need to cover the optical waveguide structures later in order to protect them from external influences.
  • the following figures each show a schematic plan view of the end face 18 of a component 10, it being clear that both the channel-shaped section 22 and the taper 24 of the optical waveguide structure 12 can be achieved by the corresponding design of the mask 16 already explained.
  • a layer of the chalcogenide glass 14 is applied to a carrier substrate 32.
  • a mask 16 is applied to the chalcogen glass 14 in such a way that a mask opening 34 remains in the region of the later optical waveguide structure 12.
  • the exposure 20 takes place at the angle of incidence ⁇ , so that due to the oblique incidence there is a through the Chalcogenide glass 14 to the support substrate 32 extending tunnel-shaped portion 36 results in a refractive index reduced by the exposure.
  • the exposure 20 takes place at the angle of incidence ⁇ through the mask opening 34, so that a likewise tunnel-shaped section 38 with a refractive index likewise reduced by the exposure results.
  • the tunnel-shaped sections 36 and 38 enclose a — viewed in cross-section — a triangular section which results in the optical waveguide structure 12, since the refractive index was not lowered in this area, so that it has an increased refractive index compared to the tunnel-shaped sections 36 and 38.
  • an area 40 which belongs to both the section 36 and the section 38, is obtained above the optical waveguide structure 12 and has even been reduced in the refractive index by the double exposure here.
  • the optical waveguide structure 12 is thereby buried in the chalcogenide glass 14 applied to the carrier substrate 32 and is delimited by the carrier substrate 32 and the sections 36 and 38.
  • FIGS. 5a and 5b A further possibility of achieving a buried optical waveguide structure 12 is shown in FIGS. 5a and 5b.
  • FIG. 5a in a manner analogous to FIG. 4, an unexposed area which is triangular in cross-section is produced and which is laterally delimited by the exposed tunnel-shaped sections 36 and 38.
  • FIG. 5b the mask 16 according to FIG. 5a is removed in a suitable manner and a mask 16 'is applied, which covers the area of the chalcogenide glass 14 which was initially exposed through the mask opening 34. The subsequent exposure at the angles of incidence .alpha. Or .beta. Exposes further parts of the chalcogenide glass 14.
  • the cross-sectional widening of the taper 24 in the direction of the end face 18 then extends not only laterally and in depth, but also in the direction of the surface of the chalcogenide glass 14. This enables the cross-section of the taper 14 to be even closer to a circular cross section of a glass fiber.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optischen Bauelementen, wobei in einem lichtempfindlichen Substrat wenigstens eine dreidimensionale Lichtwellenleiterstruktur erzeugt wird, indem das Substrat bereichsweise einer Belichtung unterzogen wird, so daß eine Brechungsindexdifferenz zwischen dem Substrat und wenigstens einem die Lichtwellenleiterstruktur bildenden Bereich entsteht. Es ist vorgesehen, daß eine wenigstens zweifache Belichtung (20) unter verschiedenen Einfallswinkeln (α, β) des Lichtes senkrecht zu einer Lichtwellenübertragungsrichtung (30) der Lichtwellenleiterstrukturen (12) erfolgt, hierdurch das die spätere Lichtwellenleiterstruktur (12) umgebende Substrat eine Brechungsindexerniedrigung erfährt, wobei die Definition der Lichtwellenleiterstruktur (12) durch eine Maskierung (16, 16') erfolgt.

Description

Verfahren zur Herstellung von optischen Bauelementen und optisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optischen Bauelementen, wobei in einem licht¬ empfindlichen Substrat wenigstens eine dreidimensio¬ nale Lichtwellenleiterstruktur erzeugt wird, indem das Substrat bereichsweise einer Belichtung unterzo- gen wird, so daß eine Brechungsindexdifferenz zwi¬ schen dem Substrat und der wenigstens einen Lichtwel¬ lenleiterstruktur entsteht, sowie ein optisches Bau¬ element.
Stand der Technik
Optische Bauelemente mit integrierten Lichtwellenlei¬ terstrukturen sind bekannt. Diese Lichtwellenleiter¬ strukturen besitzen gegenüber dem sie umgebenden Sub- strat eine Brechungsindexdifferenz, so daß sie zum Führen von Lichtwellen geeignet sind. Ein bekanntes Verfahren ist beispielsweise in der US-PS 5,136,677 beschrieben, bei dem Chalkogenidgläser zur Erzeugung der Lichtwellenleiterstruktur bereichsweise einer Be- lichtung unterzogen werden. Hierbei erfolgt in rela¬ tiv dünne Substrate eine Belichtung in Lichtwellen- Übertragungsrichtung der späteren Lichtwellenleiter- Strukturen. Aus der US-PS 5,136,677 ist ferner be¬ kannt, daß mittels zweier unterschiedlicher Licht¬ quellen sich kreuzende Lichtwellenleiterstrukturen in einem Substrat geschaffen werden können, wobei durch Interferenzerscheinungen die optischen Eigenschaften der Lichtwellenleiterstrukturen beeinflußbar εind.
Es ist allgemein bekannt, damit die erzeugten Licht¬ wellenleiterstrukturen das Führen von elektromagneti- sehen Wellen, beispielsweise Lichtwellen, ermögli¬ chen, diese einen typischerweise einige Prozent höhe¬ ren Brechungsindex als das die Lichtwellenleiter¬ struktur umgebende Substrat aufweisen müssen. Weiter¬ hin ist eine senkrecht zur Lichtwellenausbreitungs- richtung liegende Dimensionierung der Lichtwellen¬ leiterstrukturen so zu wählen, daß diese in der Grö¬ ßenordnung der Wellenlänge des zu führenden Lichtes, typischerweise von 1 bis 10 μm, liegt. Über die Brechungsindexdifferenz der Lichtwellenleiterstruktur zu dem Substrat und der Dimensionierung der Licht¬ wellenleiterstrukturen läßt sich die Anzahl der bei einer bestimmten Wellenlänge geführten Moden der zu übertragenden Lichtwellen einstellen. Mittels der bekannten Verfahren zur Herstellung der Lichtwellen- leiterstrukturen läßt sich diese definierte Bre¬ chungsindexdifferenz mit den benötigten kleinen Di¬ mensionen nur stark verlustbehaftet erzielen.
Die Lichtwellenleiterstrukturen werden üblicherweise in integrierten optischen Bauelementen erzeugt, die beispielsweise als Verstärker, Splitter, Koppler,
Multiplexer oder Schalter ausgebildet sind. Hierzu werden an die Lichtwellenleiterstrukturen in den op¬ tischen Bauelementen Lichtleitfasern, beispielsweiεe Glasfasern, angekoppelt, die einer Signalzuführung beziehungsweise Signalabführung dienen. Hierbei be- steht das Problem, daß eine Ankopplung des Glasfaser¬ querschnitts an den Lichtwellenleiterquerschnitt er¬ folgen muß. Der effektive Querschnitt bei üblichen Glasfasern beträgt 5 bis 10 μm. Bei integrierten op¬ tischen Bauelementen ist es sinnvoll, mit geringeren Querschnitten zu arbeiten, beispielsweise um die Energiedichte in den Lichtwellenleiterstrukturen zu erhöhen oder um die Lichtführung räumlich einzu¬ grenzen, damit eine Reduktion der Baugröße der inte¬ grierten optischen Bauelemente erfolgen kann. Durch die unterschiedlichen Querschnitte an der Koppel¬ stelle ist die numerische Apertur zu beachten, die den Winkelbereich beschreibt, aus dem ein Lichtwel¬ lenleiter einfallendes Licht aufnehmen kann. Licht, das unter einem größeren, als der numerischen Apertur entsprechenden Grenzwert einfällt, kann nicht geführt werden und geht verloren. Andererseitε führt der ge¬ ringe Querschnitt der Lichtwellenleiterstrukturen in den integriert optischen Bauelementen zwangsläufig zu einer Erhöhung der numerischen Apertur, so daß von den integriert optischen Bauelementen abgesandte Lichtsignale nur teilweise in die angekoppelte Glas¬ faser übergeben werden können.
Um dieses Problem und die hiermit verbundenen Verlu- ste zu verringern, ist es bekannt, zwischen den
Lichtwellenleiterεtrukturen und den Glasfasern einen sogenannten Taper als Übergangsstruktur vorzusehen. Dieser soll einen stetigen Übergang der effektiven Querschnitte der Glasfasern und der Lichtwellenlei¬ terstrukturen als auch der numerischen Apertur be¬ wirken.
Mittels der bekannten Herstellungsverfahren für Lichtwellenleiterstrukturen, bei denen beispielsweise in Glas, Polymer- oder Ormocersubstraten oder in Deckεchichten von Siliciumwafern Lichtwellenleiter- Strukturen mittels eines Ionenaustausches, einer lokalen Änderung der Stöchiometrie von Oxiden oder Oxinitriden oder einem lokalen Füllen von geätzten oder geprägten Grabenstrukturen erzeugt werden, kann der Taper nur unvollständig ausgebildet werden. Infolge der in der Tiefe begrenzten Schichtdicke kann eine Querschnittsanpassung nur durch eine Verbreite¬ rung des Wellenleiterquerschnitts bei gleichbleiben¬ der Tiefe erfolgen. Die Brechzahl ist oft durch die Materialeigenschaften festgelegt und daher im ganzen Taper konstant. Dies kann dazu führen, daß der Taper ganz oder teilweise multimodig wird, das heißt, daß in ihm Ausbreitungsrichtungen möglich werden, die der anschließende Lichtwellenleiter beziehungsweise die Glasfaser nicht aufnehmen kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß mittels einfacher technischer Mittel hochpräzise Lichtwellen¬ leiterstrukturen, insbesondere als Taper ausgebildete ÜbergangsStrukturen, geschaffen werden können, mit- tels denen eine Ankopplung von Lichtwellenleiter¬ strukturen und Glasfaεern verluεtarm möglich iεt. Da¬ durch, daß eine wenigstens zweifache Belichtung unter verschiedenen Einfallswinkeln des Lichtes senkrecht zur Lichtwellenausbreitungsrichtung der Lichtwellen- leiterεtrukturen erfolgt, hierdurch das die spätere Lichtwellenleiterstruktur umgebende Substrat eine Brechungsindexerniederung erfährt, wobei die Defini¬ tion der Lichtwellenleiterstruktur durch eine Maε- kierung erfolgt, die vorzugεweise eine sich in Licht- wellenausbreitungsrichtung verändernde Breite auf¬ weist, lassen sich dreidimensionale Lichtwellenlei¬ terstrukturen erzielen, die neben einer Verbreiterung des Lichtwellenleiterquerschnittes eine sich vergrö- ßernde Tiefe aufweisen. Hierdurch können sehr vor¬ teilhaft Querschnitte von Lichtwellenleiterstrukturen im Koppelbereich zu Glasfasern geschaffen werden, mittels denen eine Anpassung der effektiven Quer¬ schnitte der Lichtwellenleiterstrukturen und der Glasfasern möglich ist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge¬ sehen, daß die Einfallswinkel der Belichtung in Lichtwellenausbreitungsrichtung veränderlich ein- stellbar sind. Hierdurch läßt sich die Querschnitts- anpassung über den Taper weiter optimieren, indem dieser beispielsweise von der Lichtwellenleiterstruk¬ tur in Richtung der Glasfaser einen im Querschnitt gesehen dreieckförmigen, sich trompetenartig erwei- ternden Querschnitt aufweist. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Maskierung außerhalb der Lichtwellenleiterstruktur eine in Lichtwellenausbrei- tungsrichtung veränderliche Lichtdurchlässigkeit auf- weist. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, die Brechungsindexdifferenz zwischen der Lichtwellenlei¬ terstruktur und dem die Lichtwellenleiterstruktur um¬ gebenden Substrat definiert zu variieren, so daß ins¬ besondere bei einer Querschnittsvergrößerung der Lichtwellenleiterstruktur die Brechungsindexdifferenz in definierter Weise abnimmt, um eine Monomodigkeit in Lichtwellenausbreitungsrichtung der Lichtwellen¬ leiterstruktur bei sich vergrößerndem Querschnitt sicherzustellen.
Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Einfallswinkel der Belichtung so eingestellt werden, daß sich vergrabene Lichtwellen¬ leiterstrukturen ergeben. Hierdurch wird erreicht, daß eine zusätzliche Abdeckelung der erzeugten Licht¬ wellenleiterstruktur zur Verhinderung von äußeren Einflüssen nicht mehr notwendig ist. Hierdurch ver¬ einfacht sich das gesamte Herstellungsverfahren der optischen Bauelemente mit den Lichtwellenleiterstruk- turen.
Darüber hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß zur Erzeugung vergrabener Lichtwellenleiterstrukturen die Belichtung unter ver- schiedenen Einfallswinkeln mit wechselnder Maskierung erfolgt. Hierdurch wird sehr vorteilhaft erreicht, daß neben einer vergrabenen Lichtwellenleiterstruktur eine weitere Optimierung des Querschnitts der Licht¬ wellenleiterstruktur an der Koppelstelle zwischen der Lichtwellenleiterstruktur und einer Glasfaser er¬ reicht wird. Es wird die Erzielung von rombenartigen (rautenartigen) Querschnitten der Lichtwellenleiter¬ strukturen mit sich in Lichtwellenausbreitungsrich- tung vergrößernden Querschnitten möglich. Hierdurch ist eine weitere optimierte Anpassung der effektiven Querschnitte zwischen der Lichtwellenleiterstruktur und einer Glasfaser möglich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung eregeben sich auε den übrigen in den Unteranεprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei¬ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er- läutert. Es zeigen:
Figur la Verfahrensschritte zur Herstellung eines und lb optischen Bauelementes in einer ersten Aus- führungsvariante;
Figur 2 eine schematische Perspektivansicht eines optischen Bauelementeε mit einer Lichtwel¬ lenleiterεtruktur;
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf eine Mas¬ kierung zur Herstellung einer Lichtwellen¬ leiterstruktur; Figur 4 Verfahrensschritte zur Herstellung einer vergrabenen Lichtwellenleiterstruktur in einer ersten Ausführungsvariante und
Figur 5a Verfahrensschritte zur Herstellung einer und 5b vergrabenen Lichtwellenleiterstruktur in einer zweiten Ausführungsvariante.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren la und lb ist jeweils eine schemati¬ sche Schnittdarstellung eines optischen Bauelementes 10 gezeigt, anhand deren das erfindungsgemäße Ver¬ fahren zur Herstellung einer Lichtwellenleiterstruk- tur 12 erläutert werden soll. Für die Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der einfachste Auf¬ bau eines optischen Bauelementes, nämlich das Vorhan¬ densein lediglich einer Lichtwellenleiterstruktur 12, angenommen. Selbstverständlich können mittels des er- findungsgemäßen Verfahrens gleichzeitig eine Vielzahl von Lichtwellenleiterstrukturen 12 mit unterschied¬ licher Dimensionierung erzeugt werden.
Das optische Bauelement 10 besteht aus einem Chal- kogenidglas 14. Unter Chalkogenidgläsern werden im allgemeinen glasartige Produkte aus amorphen, nicht stöchiometrischen Verbindungen der Chalkogene ver¬ standen. Bevorzugt sind die Sulfide und Selinide von Arsen (As) , Antimone (Sb) , Germanium (Ge) , Gallium (Ga) , Indium (In) , Wismut (Bi) , Lanthan (La) und deren Mischungen, sofern sie Glasphasen bilden. Fer¬ ner sind Mischsysteme aus Chalkogeniden und Halo- giniden, wie beispielsweise Fluoriden, Chloriden, Bromiden oder Jodiden möglich, die zum Entstehen so¬ genannter Chalgohalid-Gläser führen.
Das verwendete Glas, im Auεführungsbeispiel daε Chal- kogenidglas 14, wird mit einer Maske 16 versehen, die aus einem lichtundurchlässigen Material besteht. Die Maske 16 ist in ihrer Dimensionerung der zu schaf¬ fenden Lichtwellenleiterstruktur 12 in noch zu er- läuternder Weise angepaßt. Die Maske 16 kann mittels allgemein bekannter Verfahren, beispielsweiεe über Siebdruck, auf daε Chalkogenidglas 14 aufgebracht werden.
In einem ersten Verfahrensschritt (Figur la) erfolgt eine Belichtung des mit der Maske 16 versehenen Chalkogenidglases 14,- wobei von einer nicht darge¬ stellten Quelle zunächst ein unter einem Einfalls¬ winkel α zur Oberfläche des Chalkogenidglases 14 ein- fallendes Licht 20 (Belichtung 20) erzeugt wird. Die verwendeten Photoenergien des Lichtes 20 liegen im absorbierenden Bereich des Chalkogenidglases 14. Die Wellenlänge des Lichtes 20 liegt hierdurch üblicher¬ weise im sichtbaren Bereich beziehungsweise im nahen Ultraviolett-Bereich. Die Wellenlängen des Lichtes 20 können beispielsweise zwischen 200 nm bis 600 nm be¬ tragen.
Das unter dem Einfallswinkel α einfallende Licht 20 trifft außer in einem durch die Maske 16 abge¬ schatteten Bereich 26 auf das Chalkogenidglas 14 und führt dort -mit Ausnahme des abgeschatteten Bereiches 26- zu einer Erniedrigung des Brechungsindexes des Chalkogenidglases 14. Der abgeschattete Bereich 26 besitzt somit einen höheren Brechungsindex als das übrige Substrat des Chalkogenidglases 14.
Ein Grad der Brechungsindexerniedrigung kann über eine Belichtungsdauer und/oder eine Belichtungsinten¬ sität und/oder über die Wellenlänge des Lichtes 20 eingestellt werden. Die Belichtungsintensität des Lichtes 20 liegt beispielsweise bei einigen 1 bis 100 J/cm2. Die Belichtung mittels des Lichtes 20 erfolgt üblicherweise bei Raumtemperatur und normaler At¬ mosphäre, so daß kein zusätzlicher apparativer Auf¬ wand zur Einhaltung bestimmter notwendiger Verfah- rensbedingungen erforderlich ist.
Nachfolgend wird gemäß dem in Figur lb gezeigten Verfahrensschritt eine Belichtung mit dem Licht 20 unter einem Einfallswinkel ß durchgeführt, so daß eine Belichtung des Chalkogenidglases 14 mit Ausnahme eines durch die Maske 16 abgeschatteten Bereiches 28 erfolgt. Dadurch daß der Einfallswinkel ß von dem Einfallswinkel α abweicht, wird der gemäß Figur la abgeschattete Bereich 26 teilweise belichtet, so daß hier ebenfalls eine Brechungsindexerniedrigung er¬ folgt. Der während der beiden Belichtungsschritte gemäß Figur la und lb jeweils abgeschattete, das heißt unbelichtete Bereich führt zur Bildung der Lichtwellenleiterstruktur 12, da dieser gegenüber der Umgebung, das heißt gegenüber dem Substrat des Chal¬ kogenidglases 14, einen höheren Brechungsindex auf¬ weist. Die Dimensionierung der Lichtwellenleiter- Struktur 12, insbesondere deren Tiefe, kann über eine Wahl der Einfallswinkel α beziehungsweise ß variiert werden. Eine weitere Dimensionierung der Lichtwellen¬ leiterstruktur 12, insbesondere deren Breite und Länge, kann über eine Dimensionierung der Maske 16 eingestellt werden.
Durch eine Kombination veschiedener Belichtungen, das heißt verschiedener Einfallswinkel α und ß, verschie- dener Belichtungsintensitäten, verschiedener Wellen¬ längen des Lichtes 20 und/oder verschiedener Belich¬ tungsdauern, kann eine Lichtwellenleiterstruktur 12 mit beliebiger definierter Dimensionierung und belie¬ biger dimensionerter Brechungsindexänderung gegenüber dem Grundsubstrat des Chalkogenidglases 14 erzeugt werden.
In der Figur 2 ist in einer schematischen Perspektiv¬ ansicht ein Bauelement 10 gezeigt, das einen inte- grierten Lichtwellenleiter 12 aufweist. Der Licht¬ wellenleiter 12 besitzt einen kanalförmigen Abschnitt 22 und einer Stirnseite 18 zugewandt einen Übergangs¬ bereich, nachfolgend Taper 24 genannt. Der Taper 24 besitzt an der Stirnfläche 18 einen dreieckförmigen Querschnitt, der kontinuierlich kleiner werdend in den Abschnitt 22 übergeht. Der Abschnitt 22 kann, wenn dieser beispielsweise mittels des anhand der Figuren la und lb erläuterten Verfahrens hergestellt wurde, ebenfalls einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen. Somit erfolgt quasi über den Taper 24 eine trichterförmige Erweiterung des Querschnitts der ge¬ samten Lichtwellenleiterstruktur 12 zur Stirnfläche 18. Der Taper 24 kann durch eine entsprechende Gestalt der Maske 16 und einen entsprechenden Einfall des Lichtes 20 während der Belichtung erzielt werden. Die Maske 16 besitzt hierzu -in Draufsicht gesehen¬ eine sich in Richtung der Stirnfläche 18 trapezförmig beziehungsweise dreieckförmig erweiternde Kontur, so daß während der Belichtung 20 (Figur la, lb) ein dem späteren Taper 24 entsprechender, abgeschatteter Be¬ reich entsteht.
Die Festlegung der Einfallswinkel α beziehungsweise ß der Belichtung 20 kann entweder durch eine ent¬ sprechend beweglich gelagerte Lichtquelle oder eine entsprechende Bewegung des Chalkogenidglases 14 bei gleichmäßig ausgerichteter Belichtung 20 erfolgen. Hier kann zusätzlich zu der -in den Figuren la und lb in der Bildebene betrachteten Einfallswinkel α und ß eine Verdrehung in die Bildebene hinein beziehungs¬ weise hinaus erfolgen, so daß optimal angepaßte Taper 24 erzielbar sind.
Mittels der Taper 24 erfolgt die eingangs erwähnte Anpassung der effektiven Querschnitte der Lichtwel¬ lenleiterstruktur 12, insbesondere deren Abschnitt 22 und einer nicht dargestellten Glasfaser. Durch den Taper 24 erfolgt ein stetiger Übergang -in der in Figur 2 mit einem Pfeil 30 gekennzeichneten Lichtwel- lenübertragungsrichtung - sowohl des Querschnitts der Lichtwellenleiterstruktur 12 als auch der numerischen Apertur. Der Pfeil 30 ist als Doppelpfeil gekenn¬ zeichnet, da die gezeigte Lichtwellenleiterstruktur 12 sowohl zum Empfangen eines optischen Signals als auch zum Absenden eines optische Signalε deε Bau- elementeε 10 dienen kann. Über die dreieckförmige Querschnittsfläche des Tapers 24 an der Stirnfläche 18 erfolgt eine optimierte Anpassung an einen runden Querschnitt der nicht dargestellten Glaεfaεer.
In der Figur 3 iεt eine schematische Draufsicht auf ein mit der Maske 16 versehenes Chalkogenidglas 14 gezeigt. Die Maske 16 definiert einerseits den kanal- förmigen Abschnitt 22 und den Taper 24 der späteren Lichtwellenleiterstruktur 12. Wie anhand von Figur la und lb erläutert, wird die Lichtwellenleiterstruktur 12 erzeugt, indem eine Belichtung des Chalkogenid¬ glases 14 derart erfolgt, daß ein die Lichtwellen- leiterstruktur 12 bildender, unbelichteter Bereich verbleibt. Um im Bereich des Tapers 24 über dessen in Lichtwellenausbreitungsrichtung 30 gesehener Länge eine Monotnodigkeit zu gewährleisten, muß eine Dif¬ ferenz der Brechungsindizeε zwischen der Lichtwellen- leiterstruktur 12 und dem Substrat des Chalkogenid¬ glases 14 im Bereich des Tapers 24 in Richtung der Stirnfläche 18 in definierter Weise abnehmen. Dies wird erreicht, indem die Maske 16 εo ausgebildet ist, daß eine Durchlässigkeit für das Licht 20, die außer- halb der Struktur des Tapers 24 gegeben sein muß, um dort die beschriebene Brechungsindexerniederung zu erreichen, in Richtung der Querschnittserweiterung des Tapers 24, das heißt in Richtung der Stirnfläche 18, abnimmt. Durch eine gleichmäßige Abnahme der Durchlässigkeit für das Licht 20 in Richtung der Stirnfläche 18 erfolgt eine entsprechend gleichmäßig geringere Belichtung 20 vom Abschnitt 22 der Licht- Wellenleiterstruktur 12, gesehen in Richtung der Stirnfläche 18. Hierdurch erfolgt eine entsprechend geringere Brechungsindexerniederung in dem Substrat des Chalkogenidglases 14 in Längserstreckung des Tapers 24, so daß eine Differenz zwischen dem Bre¬ chungsindex des Tapers 24 und dem Brechungsindex des Substrats des Chalkogenidglaseε 14 vom Abschnitt 22 in Richtung der Stirnfläche 18 ebenfalls gleichmäßig abnimmt .
Anhand der Figuren 4 und 5 wird die Herstellung ver¬ grabener Lichtwellenleiterstrukturen 12 mittels der Belichtung 20 unter verschiedenen Einfallswinkeln α und ß gezeigt. Durch die Herstellung vergrabener Lichtwellenleiterstrukturen erübrigt sich ein spä¬ teres Abdeckein der Lichtwellenleiterstrukturen, um diese vor äußeren Einflüsεen zu schützen. Die nach¬ folgenden Figuren zeigen jeweils eine schematische Draufsicht auf die Stirnfläche 18 eines Bauelementes 10, wobei klar iεt, daß durch die bereits erläuterte entsprechende Ausbildung der Maske 16 sowohl der kanalförmige Abschnitt 22 als auch der Taper 24 der Lichtwellenleiterstruktur 12 erzielbar ist.
Gemäß dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf einem Trägersubstrat 32 eine Schicht des Chalkogenidglases 14 aufgebracht. Auf das Chalko¬ genidglas 14 ist eine Maske 16 derart aufgebracht, daß eine Maskenöffnung 34 im Bereich der späteren Lichtwellenleiterstruktur 12 verbleibt. Zunächst er¬ folgt die Belichtung 20 unter dem Einfallswinkel α, so daß durch den schrägen Einfall sich ein durch das Chalkogenidglas 14 zum Trägersubstrat 32 hin er¬ streckender tunnelförmiger Abschnitt 36 mit einem durch die Belichtung erniedrigten Brechungsindex er¬ gibt. Anschließend erfolgt die Belichtung 20 unter dem Einfallswinkel ß durch die Maskenöffnung 34, so daß εich ein ebenfalls tunnelförmiger Abschnitt 38 mit ebenfalls durch die Belichtung erniedrigten Bre¬ chungsindex ergibt. Die tunnelförmigen Abschnitte 36 und 38 schließen einen -im Querschnitt gesehen- dreieckförmigen Abεchnitt ein, der die Lichtwellen¬ leiterstruktur 12 ergibt, da in diesem Bereich keine Erniedrigung des Brechungεindexes erfolgte, εo daß dieser gegenüber den tunnelförmigen Abschnitten 36 und 38 einen erhöhten Brechungsindex aufweist. Ent- sprechend der Wahl der Einfallswinkel α beziehungs¬ weise ß ergibt sich über der Lichtwellenleiter¬ struktur 12 ein sowohl zum Abschnitt 36 als auch zum Abschnitt 38 gehörender Bereich 40, der durch die hier sogar doppelte Belichtung eine Erniedrigung des Brechungsindexeε erfahren hat. Die Lichtwellenleiter¬ struktur 12 ist hierdurch in dem auf dem Träger¬ substrat 32 aufgebrachten Chalkogenidglas 14 ver¬ graben und wird durch das Trägersubstrat 32 sowie die Abschnitte 36 und 38 begrenzt.
Eine weitere Möglichkeit, eine vergrabene Lichtwel¬ lenleiterstruktur 12 zu erzielen, zeigen die Figuren 5a und 5b. Zunächst wird gemäß Figur 5a in zu Figur 4 analoger Weise ein im Querschnitt gesehen dreieck- förmiger unbelichteter Bereich erzeugt, der durch die belichteten tunnelförmigen Abschnitte 36 und 38 seit¬ lich begrenzt ist. In einem nächsten, in Figur 5b gezeigten Schritt, wird die Maske 16 gemäß Figur 5a auf geeignete Weise entfernt und eine Maske 16' aufgebracht, die den Bereich des Chalkogenidglases 14 abdeckt, der zu- nächst durch die Maskenöffnung 34 freilag. Durch die nachfolgende Belichtung unter den Enfallswinkeln α beziehungsweise ß werden weitere Teile des Chal¬ kogenidglases 14 belichtet. Es verbleibt lediglich ein' im Querschnitt gesehen romben- beziehungsweise rautenförmiger unbelichteter Bereich, der sowohl wäh¬ rend der in Figur 5a gezeigten doppelseitigen Belich¬ tung durch die Maske 16 als auch während der in der Figur 5b gezeigten doppelseitigen Belichtung durch die Maske 16 ' abgeschattet bleibt. Dieser Bereich be- sitzt hierdurch eine gegenüber dem Substrat des Chal¬ kogenidglases 14 erhöhten Brechungsindex und bildet die Lichtwellenleiterstruktur 12. Durch eine derar¬ tige Ausgestaltung der Lichtwellenleiterstruktur 12 in Verbindung mit der anhand der Figuren 2 und 3 er- läuterten kontinuierlichen Querschnittserweiterung des- Tapers 24 kann durch geeignete Variation der Masken 16 und 16' beziehungsweiεe der Einfallswinkel α und ß ein Taper 24 erzeugt werden, der einerseits an vergrabene kanalförmige Abschnitte 22 (Figuren 2, 3) und nicht dargestellte Glasfasern angepaßt ist. Die Querschnittserweiterung des Tapers 24 in Richtung der Stirnfläche 18 erstreckt sich dann nicht nur seitlich und in die Tiefe, sondern auch in Richtung der Oberfläche des Chalkogenidglaseε 14. Hierdurch ist eine noch genauere Annäherung deε Querεchnitteε des Tapers 14 an einen kreisförmigen Querschnitt einer Glasfaser möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von optischen Bauelemen¬ ten, wobei in einem lichtempfindlichen Substrat wenigstens eine dreidimensionale Lichtwellenleiter- Struktur erzeugt wird, indem das Substrat bereichs¬ weise einer Belichtung unterzogen wird, so daß eine Brechungsindexdifferenz zwischen dem Substrat und wenigstenε einem die Lichtwellenleiterεtruktur bil¬ denden Bereich entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine wenigstens zweifache Belichtung (20) unter ver¬ schiedenen Einfallswinkeln (α, ß) deε Lichteε senkrecht zu einer Lichtwellenübertragungsrichtung (30) der Lichtwellenleiterstrukturen (12) erfolgt, hierdurch das die spätere Lichtwellenleiterstruktur (12) umgebende Substrat (14) eine Brechungsindex- erniedrigung erfährt, wobei die Definition der Licht¬ wellenleiterstruktur (12) durch eine Maskierung (16, 16') erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierung (16, 16') zur Definition eines Tapers (24) der Lichtwellenleiterstruktur (12) eine sich in Lichtwellenausbreitungsrichtung (30) ver¬ ändernde Breite aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Maskierung (16) in Lichtwellenauεbreitungsrichtung (30) im Bereich des Tapers (24) zunimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchläsεigkeit der Maεkierung (16) , im Be¬ reich des Tapers (24) über das den Taper umgebende Subεtrat (14) , für die Belichtung (20) in Richtung einer Querεchnittsvergrößerung des Tapers (24) ab¬ nimmt .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallswinkel (α, ß) der Belichtung (20) in und/oder quer zur Lichtwellen- ausbreitungsrichtung (30) veränderlich einstellbar sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallswinkel (α, ß) der Belichtung (20) so gewählt sind, daß sich vergra- bene Lichtwellenleiterstrukturen (12) ergeben.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung vergrabener Lichtwellenleiterstrukturen (12) die Belichtung (20) unter verschiedenen Einfallswinkeln (α, ß) mit wechselnder Maskierung (16, 16') erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (14) ein Chalkogenidglas oder ein Chalkohalidglas ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Einfallswinkel (α, ß) eine beweglich gelagerte Licht¬ quelle eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden An¬ εprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einεtellung der Einfallεwinkel (α, ß) das Substrat (14) relativ zu der Lichtquelle beweglich gelagert ist.
11. Optisches Bauelement mit wenigstens einer in einem lichtempfindlichen Subεtrat integrierten Licht¬ wellenleiterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterεtruktur (12) nach einem der An- εprüche 1 bis 10 erhalten wird.
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