EP4217776A1 - Optisches wellenleiterbauelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Optisches wellenleiterbauelement und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP4217776A1
EP4217776A1 EP21783448.0A EP21783448A EP4217776A1 EP 4217776 A1 EP4217776 A1 EP 4217776A1 EP 21783448 A EP21783448 A EP 21783448A EP 4217776 A1 EP4217776 A1 EP 4217776A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical waveguide
optical
cladding material
free
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21783448.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Blaicher
Aleksandar Nesic
Pascal MAIER
Andreas Hofmann
Yilin XU
Christian Koos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP4217776A1 publication Critical patent/EP4217776A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • 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
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements

Definitions

  • the present invention is in the field of integrated photonics and micro-optics and relates to an optical waveguide component and a method for its production.
  • the optical waveguide component can be produced at least partially by means of a method for three-dimensional free-form microstructuring.
  • the optical waveguide component can be used, for example, to transmit light between different optical components or between free-space paths and optical components. Other applications are conceivable.
  • an optical waveguide component often depend not only on a position and a three-dimensional shape of functionally relevant optical partial structures, but also on refractive index differences at interfaces between the optical waveguide component forming partial structures.
  • Many applications require, for example, laterally single-mode wave guidance, which can be achieved by a sufficiently small difference in refractive index from a cladding region surrounding the waveguide core.
  • it can be advantageous to set a higher refractive index difference, for example to avoid radiation losses in narrow waveguide bends or to be able to set the guiding properties of the optical waveguide structure.
  • the problem of a direction-dependent resolution arises, which leads to unavoidable direction-dependent variations in the smallest producible cross-sectional area of optical waveguide structures.
  • US Pat. No. 8,903,205 B2 and US Pat. No. 9,034,222 B2 each disclose a method and an arrangement for using free-form optical waveguides manufactured with 3D lithography at a target position to connect different optical components to one another.
  • the position, shape and size of the light-guiding cores of the free-form waveguides can easily be adapted to the position, shape and size of the optical components to be connected.
  • the manufactured free-form waveguide cores are then globally embedded in a cladding material that is undefined in its further form for the purpose of matching the refractive index.
  • EP 3 162 549 A1 discloses an optical element produced in layers using a 3D printer, which comprises at least one microfluidic cavity, also produced in layers using the 3D printer, which is filled with a functional substance for the purpose of providing desired properties in certain application examples.
  • the application examples described herein relate to optical arrangements comprising lenses and diaphragms.
  • WO 2020/085083 A1 discloses an arrangement comprising two optical waveguides, which are connected by means of a 3D-printed waveguide structure made of photoresist, and also a 3D-printed box structure around the optical waveguide, which is designed to enable cladding with air . Furthermore, an arrangement is disclosed which, by means of patterning of the photoresist, makes it possible to provide a sectional embedding of the optical waveguide core in a straight section with patternable material, while curved regions remain encased with air.
  • US 2015/0078712 A1 discloses a method for producing an optical connection, comprising 3D printing of a multiplicity of non-intersecting and spaced-apart optical waveguides made of a material that conducts electromagnetic waves. At least some of the optical waveguides change direction by about 90° at least once. The method further includes cladding at least each end of the optical waveguides with a material that has a lower index of refraction than the material from which the optical waveguides were formed.
  • WO 2019/165205 A1 discloses a tapered core structure that is written onto the end of an optical fiber using a 3D printing process.
  • the tapered core can increase the mode diameter to improve coupling between fibers or decrease the mode diameter to improve coupling to a waveguide smaller than the fiber core.
  • the core is surrounded by a cladding. The diameter of the core is varied during writing to create different profiles.
  • US 2012/0057841 A1 discloses methods that provide an optical fiber termination structure with small volume and very low return loss, even when the fiber termination structure is in close proximity to reflective surfaces.
  • DE 100 33 899 A1 discloses a switch for electromagnetic radiation, composed of at least two control electrodes, one or more inputs and outputs for the electromagnetic radiation to be switched and electrophoretically mobile particles that are impermeable to electromagnetic radiation in a suspension that is permeable to electromagnetic radiation .
  • the object of the present invention is to provide an optical waveguide component and a method for its production, which at least partially overcome the disadvantages and limitations of the prior art.
  • the object of the present invention is, in particular, to set refractive index differences at internal interfaces between the structures forming part of the optical waveguide component and in particular between the waveguide core and the cladding to at least one desired functionality and within the structure, in particular along the propagation direction of the light guided in the waveguide, to vary in a targeted manner.
  • the substructures of the optical waveguide component that are functionally relevant in terms of their shape, such as the waveguide cores, produced using a free-form microstructuring process to adjust the refractive index with the greatest possible variety of locally applied and along the propagation direction of the To be able to combine light-varying cladding materials, with the cladding materials used not necessarily having to be capable of being structured with high resolution using a free-form microstructuring process.
  • the object of the present invention is to enable the production of continuously single-mode waveguide structures with a locally high index contrast between core and cladding, even under the restrictions of a direction-dependent resolution of the structuring process.
  • a direction-dependent resolution of the structuring process For example, in the case of lithography methods based on multiphoton absorption, a polymerization reaction takes place in a spatial region surrounding the focal point of the writing beam, a so-called voxel has an ellipsoidal shape that extends along the beam direction and depends on the numerical aperture of the lens used in each case. The direction-dependent expansion of this voxel determines the resolution and shape of the structures that can be produced, which can lead to severe limitations, especially in the case of single-mode waveguides.
  • the length of the voxel measured along the lithography beam is typically between 1 pm and 2 pm, while the width measured perpendicular to it is typically less than 500 nm.
  • the multimode limit is at a radius of approx. 500 nm are surrounded by a solid or liquid cladding material of vacuum, air or another gas (refractive index approx.
  • a single-mode waveguide is understood to mean a waveguide in which a maximum of two basic modes, which can be distinguished with regard to their polarization, can propagate in each cross-sectional area.
  • the object of the invention is to combine waveguide cores produced by a 3D microstructuring method with a cladding region with a well-defined shape in the lateral direction, which enables protection against mechanical and/or chemical environmental influences.
  • This cladding area should be designed in such a way that mechanical stresses and other forces acting on the cladding area are largely minimized and thus unwanted deformation of the waveguide core is avoided.
  • the terms “have”, “have”, “comprise” or “include” or any grammatical deviations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, apart from the features introduced by these terms, no further features are present, or to situations in which one or more further features are present.
  • the expression “A has B”, “A has B”, “A comprises B” or “A includes B” can both refer to the situation in which, apart from B, there is no other element in A ( ie to a situation in which A consists exclusively of B), as well as to the situation in which, in addition to B, there are one or more other elements in A, e.g. element C, elements C and D or even further elements.
  • the terms “at least one” and “one or more” as well as grammatical variations of these terms, if they are used in connection with one or more elements or features and are intended to express that the element or feature is provided once or several times can generally only be used once, for example when the feature or element is introduced for the first time. If the feature or element is subsequently mentioned again, the corresponding term “at least one” or “one or more” is usually no longer used, without restricting the possibility that the feature or element can be provided once or more than once.
  • the present invention relates to an optical waveguide device, comprising:
  • At least one optical waveguide structure configured in the form of a first three-dimensional free-form structure
  • At least one guiding structure which is designed in the form of a second three-dimensional free-form structure, in the vicinity of the at least one optical waveguide structure;
  • At least one cladding material that at least partially fills a space between the at least one optical waveguide structure and the at least one guide structure.
  • the at least one cladding material can fill the space between the at least one optical waveguide structure and the at least one guide structure in such a way that at least a first section of the optical waveguide structure is surrounded by the at least one cladding material, with the at least one guide structure defining an area within which the at least a first portion is surrounded by the cladding material, and that at least a second portion of the optical waveguide structure or at least one optical component adjacent to the optical waveguide structure is not surrounded by at least one cladding material.
  • the at least one optical component adjoining the optical waveguide structure and not surrounded by the at least one cladding material can preferably be produced using the same free-form microstructuring method as the first three-dimensional free-form structure.
  • optical refers to any type of electromagnetic waves that can be guided in an optical waveguide.
  • visible optical range which has a vacuum wavelength X between 400 nm and 800 nm
  • Numerical values specified below in particular for dimensions of structures or for describing performance parameters of microstructuring processes, for example for resolution or accuracy unless otherwise stated, refer to arrangements set up for a vacuum operating wavelength ⁇ of about 1.5 pm.
  • the numerical values given can be scaled proportionally to the wavelength, in particular taking into account the refractive indices of the materials used.
  • the optical waveguide component comprises at least one optical waveguide structure which is present in the form of a three-dimensional freeform structure preferably produced by means of a first freeform microstructuring method.
  • optical waveguide component refers here to an optical component in which light is guided at least in sections by means of an optical waveguide and which therefore has at least one optical waveguide structure.
  • optical waveguide structure generally refers to any arrangement that is set up to guide an electromagnetic wave in the wavelength range defined above.
  • optical waveguides This includes in particular individual optical waveguides, optical waveguides with branches, polarization filters, polarization beam splitters, polarization converters, tapers, directional couplers, couplers based on multimode interference (MMI), waveguide networks and waveguide-based components, also in combination with micro-optical elements such as lenses, mirrors, or prisms.
  • MMI multimode interference
  • waveguide networks and waveguide-based components also in combination with micro-optical elements such as lenses, mirrors, or prisms.
  • MMI multimode interference
  • the guidance of the electromagnetic wave in the optical waveguide structure can here in particular by means of total reflection at an optical interface or by means of multiple reflection at periodically arranged elements, for example in the case of a ber on a photonic band gap or on a photonic crystal uending optical waveguide take place.
  • Waveguiding by means of an optical waveguide structure is based on the fact that, in contrast to propagation of the light in free space, the divergence of the light propagating in the optical waveguide structure in the lateral direction is prevented by a continuous interaction of the light with dielectric interfaces or, in the case of a tapering one or tapered optical waveguide.
  • the optical waveguide component can also have other optical structures, in particular selected from at least one refractive, diffractive ven and/or reflective optical element, for example at least one lens or a mirror, which are set up to additionally change the propagation of the electromagnetic radiation in the optical waveguide component.
  • the present optical waveguide device further comprises at least one guide structure configured in the form of a second three-dimensional free-form structure located in the vicinity of the at least one optical waveguide structure.
  • a precisely definable area can be defined by means of the guide structure, within which the optical waveguide structure can be surrounded by a cladding material, for which capillary forces are preferably used in a “spatial area” between the at least one guide structure and the at least one optical waveguide structure, also referred to as the “interspace”. be able.
  • the term “proximity” designates a suitably selected distance between the guide structure and the at least one section of the at least one optical waveguide structure to be surrounded by the at least one cladding material.
  • the distance which defines the term "proximity" is chosen to be at least so large that it is a multiple of a penetration depth of the optical radiation guided in the at least one section of the at least one optical waveguide structure into the surrounding cladding region in order to couple the guided radiation to avoid with the management structure.
  • the penetration depth ⁇ 5 is defined as the depth at which the evanescent electric field generated by the mode guided in the waveguide structure has dropped by a factor of 1/e.
  • the penetration depth ⁇ 5 can be estimated using Equation (1): ö « Z/(n e 2 - n 2 2 ) > Z/O - n 2 2 ), (1) where nL is the refractive index in the optical waveguide structure, n 2 denotes the refractive index in the cladding region enveloping the optical waveguide structure and n e denotes the effective refractive index of the mode guided in the waveguide structure.
  • the distance can be chosen to be at least so large that the distance is preferably twice, particularly preferably three times, particularly preferably five times or ten times the penetration depth ⁇ 5.
  • this distance is preferably from 1 ⁇ m to 500 ⁇ m, particularly preferably from 2 ⁇ m to 100 ⁇ m, in particular from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the numerical values given can be scaled proportionally to the wavelength, in particular taking into account the refractive indices of the materials used.
  • the guide structure can preferably be designed in such a way that the guide structure has no direct contact with the core of the waveguide structure.
  • the at least one guide structure makes it possible to locally enclose at least one section of the at least one optical waveguide structure surrounded by the at least one guide structure, in particular using capillary forces, with the at least one cladding material and thus to set the refractive index contrast of the at least one waveguide section in a targeted manner.
  • individual areas can also be provided with the at least one cladding material, or several sections can be provided with different cladding materials, so that the refractive index contrast at the core-cladding interface is designed in such a way may be that the refractive index contrast changes along the direction of propagation.
  • the guide structure can be advantageous for a combination of different optical elements, the design of which makes different demands on the refractive index contrast.
  • the guide structure By designing the guide structure appropriately as a protective structure, it may be possible, in particular, to avoid unintentional embedding of partial areas of the waveguide structure in the cladding material.
  • the invention solves the problem of continuously producing single-mode waveguide structures with a locally high index contrast between core and cladding, even under the restrictions of a direction-dependent resolution of the structuring process.
  • waveguide sections that have to have a high index contrast which is indispensable for certain functions such as branching or polarization beam splitters, can be aligned in such a way that the waveguide axis is oriented essentially parallel to the axis of the lithography beam and that the best possible resolution is thus achieved in the lithographic definition of the Waveguide core is achieved.
  • waveguide sections whose axis is oriented perpendicularly or at a large angle to the lithography beam can be structured with a larger cross section and can be configured as single-mode by local embedding in a cladding material with a sufficiently high refractive index.
  • the largest diameter of the waveguide core measured perpendicular to the waveguide axis is preferably below 3 pm, particularly preferably below 2 pm, and very particularly preferably below 1.5 pm.
  • the largest diameter of the waveguide core measured perpendicular to the waveguide axis is preferably from 1.5 ⁇ m to 25 ⁇ m, particularly preferably from 1.5 ⁇ m to 15 ⁇ m, and entirely more preferably from 2 pm to 12 pm.
  • These numerical values refer to a conversion tion of the invention using a lithography process based on multiphoton absorption at a lithography wavelength of 780 nm and a numerical aperture (NA) of 1.4.
  • NA numerical aperture
  • the largest diameter of the waveguide core measured perpendicularly to the waveguide axis increases in the waveguide sections oriented perpendicularly to the axis of the lithography beam.
  • the invention makes it possible to precisely define the shape and extent of the jacket region in the lateral direction by means of a corresponding design of the at least one guide structure.
  • the term "lateral" refers to a direction that is locally perpendicular to the direction of propagation of the optical field guided in the waveguide; a direction parallel to the direction of propagation is referred to as "axial".
  • This makes it possible to design the jacket area, which is essential for protection against mechanical and/or chemical environmental influences, in such a way that, apart from unavoidable anchoring points, it has no contact with other elements of the arrangement, such as other optical components or mounting plates (“submounts").
  • the guide structure can be designed in such a way that the optical waveguide structure is symmetrically encased by the cladding material, so that forces occurring within the cladding material, for example as a result of a curing process and an associated shrinkage process, are largely compensated for without the to deform the waveguide structure.
  • the at least one guide structure can have at least one fluid stop, which can preferably be integrated into the at least one guide structure.
  • the term "fluid stop” here refers to a partial structure of the at least one guide structure that forms a barrier to further advance of a material, in particular at least one material that is present in liquid form at the time of introduction into the space between the at least one optical waveguide structure and the at least one guide structure Sheath material represents. In this way, the at least one jacket material can be prevented from penetrating or expanding beyond a specified area.
  • the at least one guide structure which defines the at least one section of the at least one optical waveguide structure surrounded by the at least one cladding material, makes it possible to use a large variety of materials as the waveguide cladding.
  • the at least one cladding material itself to be capable of being structured with high resolution using a free-form microstructuring method; Rather, it is sufficient that the at least one cladding material can be introduced, in particular by means of a dispensing method, between the at least one guide structure and the at least one optical waveguide structure configured as a waveguide core.
  • the introduction can preferably be facilitated in that the at least one guide structure is supplemented by at least one further feed structure, through which the at least one jacket material can be filled.
  • the at least one feed structure can advantageously be designed in such a way that the at least one jacket material is fed from a common feed point to different guide structures, which enables the at least one jacket material to be applied efficiently, particularly in the case of complex guide structures.
  • the at least one cladding material can be selected from a variety of materials.
  • low-index polymers are particularly suitable for this purpose, which can be fluorinated or can have polysiloxane-based components.
  • the at least one cladding material which at least partially surrounds the at least one optical waveguide structure configured as a waveguide core, has a refractive index that is preferably from 1 to 1.5, particularly preferably from 1.2 to 1.5, in particular from 1.3 to 1.45, is.
  • the difference in refractive index between the material of the waveguide core and the at least one cladding material is preferably from 0.05 to 1, particularly preferably from 0.1 to 0.7, in particular from 0.15 to 0.6.
  • the cladding material can preferably be chosen in such a way that it has the lowest possible absorption at the operating wavelength of the optical waveguide.
  • the material absorption of the cladding material at the operating wavelength of approx. 1.5 ⁇ m is preferably below 10 dB/mm, particularly preferably below 5 dB/mm, and very particularly preferably below 2 dB/mm or 1 dB/mm. For other operating wavelengths, these values are to be scaled anti-proportionally to the wavelength.
  • the optical waveguide component according to the invention can be produced in direct physical contact with other optical components and, in the process, can be aligned, preferably precisely, with optical coupling points of these components.
  • optical coupling point used below denotes
  • optical component and “optical component” refer to an optical element that is set up to emit, transport, receive, detect and/or manipulate electromagnetic radiation
  • optical system refers to an arrangement of at least two optical Components or a combination of one or more arrangements according to the invention with one another, with at least one optical component or with at least one further additional structure produced in combination with the arrangement according to the invention, in particular at least one optical waveguide or at least one micro-optical element
  • Optical components used according to the invention selected from the group consisting of: optical glass fibers, in particular single-mode fibers or multimode fibers made of organic or inorganic materials; integrated optical chips, in particular photodiodes, linear or flat photo odiode arrays, CCD arrays or image sensors, in particular based on semiconductors, preferably silicon or III-V compound semiconductors, or dielectric materials, preferably glasses, silicon dioxide, silicon nitride or polymers; bolometers; Lasers, in particular surface-emitting lasers
  • optical components can preferably comprise optical waveguides with low index contrast, in particular glass-based optical waveguides, or with medium or high index contrast, in particular waveguides based on semiconductors or dielectric materials.
  • Light can preferably be coupled in or out at an edge or on a surface of the optical component; in particular at an edge of an edge-emitting laser, at a chip edge, or at a facet of a waveguide-based system; alternatively on a surface of a surface-emitting laser or a surface-illuminated photodiode, or on the surface of a waveguide-based chip, which has at least one optical coupling point, in particular comprising a grating coupler or a deflection mirror.
  • other types of coupling or decoupling of light are possible.
  • the present invention relates to a method for manufacturing an optical waveguide device, in particular an optical waveguide device disclosed herein.
  • the steps of the method are in detail: a) producing at least one optical waveguide structure, which is designed in the form of a first three-dimensional free-form structure, by means of a first free-form microstructuring method; b) fabricating at least one guiding structure configured in the form of a second three-dimensional free-form structure in the vicinity of the at least one optical waveguide structure by means of a second free-form microstructuring method; and c) introducing at least one cladding material into a space between the at least one optical waveguide structure and the at least one guiding structure.
  • the at least one cladding material can be introduced into the space between the at least one optical waveguide structure and the at least one guide structure according to step c) in such a way that at least a first section of the optical waveguide structure is surrounded by the at least one cladding material, the at least one guide structure defines a region within which the at least one first portion is surrounded by the cladding material and that at least a second portion of the optical waveguide structure or at least one optical component adjacent to the optical waveguide structure is not surrounded by the at least one cladding material.
  • the at least one optical component adjoining the optical waveguide structure and not surrounded by the at least one cladding material can preferably be produced using the same free-form microstructuring method as the first three-dimensional free-form structure.
  • Steps a) and b) need not be carried out strictly sequentially, but can also be integrated into other manufacturing processes running in parallel.
  • each of steps a) to c) can also be carried out several times, with at least successive steps also being able to be carried out at least partially simultaneously.
  • further steps can be carried out additionally.
  • the present structures, ie the at least one optical waveguide structure, the at least one guide structure and optionally at least one support structure set up for mechanically fixing the at least one guide structure are produced in situ, ie directly at a target position, using at least one suitable free-form microstructuring method.
  • free-form microstructuring process designates a subtractive or additive manufacturing process with which three-dimensional structures, preferably free-form structures, can be produced.
  • free-form structure is understood to mean a structure which, within the framework of technical limitations with regard to resolution and accuracy, can have any curved surfaces, at least in some areas.
  • the free-form structure thus differs in particular from structure geometries that can be produced on flat substrates by classic planar microstructuring processes, ie, for example, by a combination of thin-film deposition processes, two-dimensional lithography processes, such as projection lithography, and etching processes.
  • prism-like three-dimensional structural geometries each of which has a base and top surface that are essentially parallel to the substrate surface, that are identical or very similar in shape, and that, depending on the selected etching process or deposition process, by means of side walls perpendicular to the substrate surface, inclined or also inwardly or outwardly curved side walls can be connected to one another.
  • the shape of the base and top surface is essentially predetermined by the mask used for local etching or deposition, which is often lithographically structured. By repeating the etching process several times or the deposition process with different masks, multilayer structures consisting of several prism-like part structures can be built up.
  • Free-form structures that are or are produced using free-form microstructuring methods are not subject to these restrictions, or at least not to the same extent, since their structural geometry is not restricted to a combination of a comparatively small number of planar, prism-like partial structures. This makes it possible, in particular, to produce optical waveguide components and/or guide structures with any three-dimensional geometries.
  • free-form structures are in many cases also produced from a large number of individual layers, preferably by applying a multi-layer material in 3D printing or by photochemically induced curing of different layers in a 3D lithography process.
  • the present structures are preferably built up from at least 5, particularly preferably at least 10, in particular at least 20 or 30 layers.
  • the at least one optical waveguide structure for a vacuum operating wavelength of approx it becomes possible to produce the at least one optical waveguide structure with deviations of less than 1000 nm, particularly preferably less than 500 nm, in particular less than 100 nm.
  • the resolution of the free-form microstructuring method is preferably better than 3 pm, particularly preferably better than 1 pm, in particular better than 500 nm.
  • the numerical values mentioned above relate to the production of the at least one optical waveguide structure, the wavelength for vacuum operation of about 1.5 pm are provided.
  • the dimensions of the at least one optical waveguide structure and thus the requirements for the accuracy and resolution of the microfabrication method used for production can be scaled accordingly, possibly taking into account the refractive indices of the materials used.
  • free-form microstructuring methods can be used to produce the at least one guide structure, in which the deviations of the realized structure from the ideal structure are preferably at most 10 ⁇ m, particularly preferably at most 3 pm, in particular at most 1 pm.
  • the associated resolutions are preferably better than 50 ⁇ m, particularly preferably better than 10 ⁇ m, in particular better than 5 ⁇ m or 2 ⁇ m.
  • Different free-form microstructuring methods or the same free-form microstructuring method can be used to produce the optical waveguide structure and the at least one guide structure; wherein when using the same free-form microstructuring method, all structures can advantageously be produced in a common operation.
  • the free-form microstructuring method and/or a free-form microstructuring unit enabling such a method can be based on a lithographic method that uses in particular the concept of stereolithography or direct-writing, preferably three-dimensional direct-writing, lithography methods.
  • Additive or subtractive manufacturing processes can be used, with the term "additive manufacturing process” designating a manufacturing process in which material is continuously attached to or applied to a structure, while the term “subtractive manufacturing process” describes an alternative manufacturing process, in which material is removed from a structure.
  • the material application or material removal can be achieved with lithographic methods using suitable photoresists, in particular negative or positive resists.
  • planar light modulators that allow rapid structuring can be used in a stereolithography method.
  • multi-photon lithography methods in particular using pulsed laser sources, can be used as direct-writing lithography methods.
  • Laser light sources are particularly suitable for this purpose, selected from fiber-based femtosecond lasers or pulsed solid-state lasers such as titanium: sapphire lasers or diode lasers, which can be combined with frequency conversion units, for example for frequency multiplication, for sum frequency generation or difference frequency generation.
  • wavelengths in the near-infrared, visible or ultraviolet spectral range or in the range of extreme UV radiation (EUV) or X-ray wavelengths can preferably be used. In a particularly preferred embodiment, these wavelengths are from 150 nm to 1700 nm, in particular from 300 nm to 1100 nm.
  • two, three or more photon absorption effects can be achieved in a targeted manner by a suitable choice of pulse duration and pulse energy.
  • the principle of “Stimulated Emission Depletion” (STED) can be used with suitable photoinitiators based on corresponding microscopy processes.
  • the waveguide structure can comprise a polymer, in particular an acrylate that can preferably be structured optically additively or subtractively, epoxy resin, or a fluoropolymer, a metal or a metal-coated dielectric.
  • the optical waveguide component according to the invention can be designed in such a way that it enables efficient transmission of light between two optical components.
  • the possibility can be used, based on the concept of "photonic wire bonding", to first record the position and location of the optical coupling points to be connected during the manufacturing process and then to create a trajectory adapted to this for the core of the optical waveguide and, if necessary, also to design a corresponding form of guiding structure for the jacket material.
  • the trajectory of the waveguide core is selected in such a way that the most precise possible coupling to the optical coupling points of the optical components is possible, with the undesirable deviations from the position of maximum coupling efficiency preferably being less than 1 pm, particularly preferably less than 500 nm and very particularly preferably be below 200 nm or 100 nm.
  • the advantages of the invention lie in the possibility of achieving a precisely definable local coverage of the optical waveguide structure and thus enabling free adjustment of the refractive index contrast by choosing suitable locally introduced cladding materials. This makes it possible, for example, for only a single mode to be guided in the optical waveguide and thus for efficient coupling to single-mode optical components. Furthermore, different requirements for the refractive index contrast can be made possible at the same time in sections by specifically varying it along the direction of propagation.
  • the invention makes it possible to produce continuous single-mode waveguide structures with a locally high index contrast between the core and cladding, even under the restrictions of a direction-dependent resolution of the underlying structuring process, for example by embedding limited waveguide sections by their orientation with regard to the resolvable cross-section by local embedding in a cladding material with sufficient high refractive index can be configured single-mode.
  • This advantage is of great importance, for example, for the realization of waveguide-based polarization beam splitters, in which functionally relevant waveguide sections can be aligned parallel to the write beam with high index contrast and can thus be realized with small cross sections.
  • any guide structure known from the prior art it is not possible with any guide structure known from the prior art to define a precisely definable area within which the optical waveguide structure can be surrounded by a cladding material.
  • the waveguide core is embedded in sections in the cladding material, which has different refractive index contrasts.
  • this is achieved by direct patterning of the cladding material, which can be viewed as part of the box structure, which is also directly patterned, and which consists of a lithographically patternable photoresist.
  • a disadvantage of this is that the cladding material itself has to be structured for this purpose, which in particular severely limits a selection of possible cladding materials.
  • the invention makes it possible to precisely define the shape and extent of the jacket region in the lateral direction by means of a corresponding configuration of the guide structure.
  • This makes it possible, in particular, to design the jacket area, which is essential for protection against mechanical and/or chemical environmental influences, in such a way that, apart from individual anchoring points, it cannot have any contact with other elements of the arrangement, such as other optical components or mounting plates (“submounts”) , so that forces acting on the cladding area are largely minimized and deformation or destruction of the waveguide core resulting from these forces can be avoided.
  • WO 2020/085083 A1 does not disclose any filling of a space between a prestructured waveguide structure and a guide structure. Rather, the cladding material there serves as a solid structural element produced by direct lithographic structuring; a spatial area is not filled with a liquid material. An opening used in WO 2020/085083 A1 serves to remove a post photoresist remaining after the structuring process and is then closed again airtight with a lid.
  • the optical waveguide component can be flexibly adapted to the conditions of a wide variety of optical components and, if necessary, can be expanded to include mechanically stabilizing support structures.
  • the present invention makes it possible to use a large variety of cladding materials for geometrically precise embedding of free-form optical waveguides, with the at least one cladding material not necessarily having to be capable of being structured with high resolution by a free-form microstructuring method.
  • the present invention thus differs from US 2015/0078712 A1 and WO 2019/165205 A1, which disclose embedding waveguide structures over the entire length of the cladding material, so that no waveguide component produced by means of a free-form microstructuring process with the greatest possible variety of locally applied and varying cladding materials along the direction of propagation of the light.
  • FIGS. 1 and 2 each show a preferred exemplary embodiment of an optical waveguide component according to the invention
  • FIG. 3 shows a further preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, which is arranged between two optical components;
  • FIG. 4 shows another preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, which has three optical waveguide structures
  • FIG. 5 shows a further preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, comprising three optical waveguide structures, which is arranged between two optical components and has a common feed point;
  • FIG. 6 shows a further preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, comprising three optical waveguide structures in a closed design, which is arranged between two optical components and has a common feed point and an outlet element;
  • FIG. 7 shows a preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, which has a protective structure
  • FIG. 8 shows a preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, which has an optical waveguide structure with differently designed sections;
  • FIGS. 9 and 10 each show a preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to FIG. 1 before the introduction of the at least one cladding material, in a perspective view (FIG. 9) and as a cross section (FIG. 10);
  • FIG. 11 shows a perspective view of a scanning electron microscope (SEM) image of the optical waveguide component according to FIG. 1 after the introduction of the at least one cladding material;
  • SEM scanning electron microscope
  • FIGS. 12 and 13 each show an SEM image of the optical waveguide component according to FIG. 3 before (FIG. 12) and after (FIG. 13) the introduction of the at least one cladding material in plan view;
  • FIGS. 14 and 15 each show an SEM image of three optical waveguide components according to FIG. 1 before (FIG. 14) and after (FIG. 15) the introduction of the at least one cladding material in a perspective view.
  • FIGS. 1 and 2 each show a schematic representation of a preferred exemplary embodiment of an optical waveguide component according to the invention.
  • the optical waveguide structure 10 shown as a free-form structure detaches upwards, starting from an optical coupling point 70 of the optical waveguide 120 located on an optical substrate 110, and is surrounded by a guide structure 20 located nearby.
  • the optical waveguide structure 10 is in a region in which the optical waveguide structure 10 is detached from the optical substrate 110 of the guide structure 20, which makes it possible, as in Figure 1, to cover only a lower section 10a of the optical waveguide structure 10 and the optical substrate 110 or, as in Figure 2, only a middle section 10a of the optical waveguide structure 10 with a cladding material 30, while further Sections 10b, 10c of the optical waveguide structure 10 are not surrounded by the cladding material 30.
  • This preferably makes it possible to adapt and optimize the refractive index contrast in the different sections 10a, 10b, 10c of the optical waveguide structure 10 to the respective requirements.
  • the liquid or solid introduced cladding material 30 fills a space between the optical waveguide structure 10 and the guide structure 20 at least partially.
  • the entire arrangement can be operated without an additional cladding material in order to enable the greatest possible refractive index contrast in the waveguide sections 10c and 10b.
  • the entire structure may be globally covered by another cladding material (not shown) that differs from cladding material 30 in refractive index.
  • the guide structure 20 can have additional support structures 20a, which are set up in particular to stabilize the guide structure 20, and fluid stops 60, which are set up to fill the space between the optical waveguide structure 10 and the guide structure 20 up to a predetermined point , exhibit.
  • the cladding material 30 can be introduced in the liquid state into the space between the optical waveguide structure 10 and the guide structure 20 using capillary forces and then cure independently or, preferably, be cured by an optical process or a thermal process.
  • FIG. 3 shows a further preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, which is arranged between two optical components 110a, 110b.
  • This shows a localized cladding of the optical waveguide structure 10 by means of the cladding material 30, which is in direct contact with the optical components 110a, 110b in the region of the coupling points 70a, 70b.
  • the optical waveguide structure 10 connects the two optical waveguides 120a, 120b of the two optical components 110a, 110b and is at least partially encased by the guide structure 20, which runs along the trajectory of the optical waveguide structure 10.
  • fluid stops 60a, 60b may be employed at both ends to prevent undesired spreading of a liquid cladding material 30 from the guide structure 20 onto the surface of the optical components 110a, 110b.
  • An undesired covering of the remaining area of the optical substrate 110 can thus be avoided and only the space between the optical waveguide structure 10 and the guide structure 20 is specifically filled.
  • the guide structure 20 also enables the most symmetrical possible cladding of the optical waveguide structure 10 by means of the applied cladding material 30, which would otherwise not remain in the vicinity of the optical waveguide structure 10 .
  • the shape and extent of the jacket area can be precisely defined in the lateral direction.
  • the guide structure 20 is designed in such a way that the optical waveguide structure 10 is symmetrically encased by the cladding material 30, so that forces occurring within the cladding material 30, for example as a result of a curing and associated shrinkage process, are largely compensated without deforming the waveguide structure 10.
  • FIGS. 1 to 3 can be modified in many ways.
  • a cross section of the optical waveguide structure 10 along a propagation direction is thus retained in FIGS.
  • This shape can be adapted in particular to the cross sections and the mode field profiles of the optical coupling points 70a, 70b of the respective optical components 110a, 110b to be connected, in order in this way to achieve the most efficient possible coupling.
  • any shapes and geometries are conceivable for the design of the support structures 20a, which can be adapted in particular to the circumstances of the optical components 110a, 110b.
  • an exact position of the optical components 110a, 110b to be connected by the optical waveguide structure 10 and their optical coupling points 70a, 70b cannot be known from the outset, but only shortly before Printing process determined by suitable measurement methods and then used to design a low-loss as possible waveguide trajectory or waveguide geometry of the optical waveguide structure 10.
  • the shape of the guide structure 20 can be derived from the trajectory of the optical waveguide structure 10 to be encased.
  • FIG. 5 shows a further preferred exemplary embodiment of the optical waveguide component according to the invention, which is arranged between two optical components 110a, 110b.
  • the associated method for producing the optical waveguide component according to the invention can also be explained on the basis of this representation.
  • the optical partial waveguide structures 11, 12, 13, which together form the waveguide structure 10 are produced by means of a first free-form microstructuring method, preferably at the position and orientation of the optical coupling points 70a, 70b, 70c of the optical component 110a or the optical coupling points 70d, 70e, 70f of the optical component 110b.
  • the cladding material 30 can be introduced at a single feed point 100 which, by means of an opening 101 to the feed point 100, allows the cladding material 30 to be distributed in a targeted manner. Alternatively (not shown), several feed points 100 are also possible.
  • the liquid cladding material 30 can be transported to each partial structure 21, 22, 23 of the guide structure 20 via common supply structures 50 in order to achieve the most symmetrical possible encapsulation of the associated optical waveguide structures 11, 12, 13.
  • the common feed structures 50 serve as a network for the defined distribution of the cladding material 30 to the spatial region between the optical waveguide structure 10 and the guide structure 20 and allow the cladding material 30 to be applied as efficiently as possible.
  • the guide structure 20 and the common feed structures 50 are open at the top.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment, which comprises a guide structure 20 and feed structures 50 that are spatially closed to the outside.
  • these structures can also have a common outlet element 80, via the opening 81 of which to the outlet element 80 superfluous jacket material 30 can exit.
  • the outlet element 80 can assume the function of a pressure relief valve when filling a closed spatial area.
  • the cladding material 30 can be left in the liquid state or optionally cured after the guide structure 20 has been filled, and the at least one optical waveguide structure 10 embedded in the material can thus be additionally stabilized, for example against external mechanical influences or environmental influences.
  • FIG. 7 shows an example of how the optical waveguide structure 10 comprising a plurality of sections 10d, 10e, 10f, 10g can be protected from unwanted embedding by the cladding material 30 in section 10d.
  • this can be useful, for example, in the case of a waveguide branching of a polarization beam splitter, for which a locally increased refractive index contrast in section 10d compared to the other sections 10e, 10f, 10g is particularly advantageous.
  • a protective structure 20b is attached around section 10d as part of the guide structure 20, which creates a protected spatial area 35 that is not filled by the cladding material 30.
  • the other parts of the guide structure 20 continue to enclose the entire arrangement, in particular also the protective structure 20b, in such a way that when the cladding material 30 is filled, only the sections 10e, 10f, 10g are enclosed.
  • FIG. 7 also shows, by way of example, how a continuously single-mode structure with a locally high index contrast between core and cladding can also be produced under the restrictions of a direction-dependent resolution of the structuring method.
  • a polymerization reaction takes place in a spatial region 320 surrounding a focus point 310 of a lithography beam 300, a so-called voxel, which has an ellipsoidal shape that extends along a beam axis 330 and is dependent on the numerical aperture of the lens used in each case.
  • the length ⁇ 7i of the voxel measured along the beam axis 330 of the lithography beam 300 is typically between 1 pm and 2 pm, while the length perpendicular to it measured width d is typically less than 500 nm.
  • the single-mode configuration of the section 10d of the waveguide structure 10 surrounded by air is made possible by the fact that its axis 340d is oriented essentially parallel to the beam axis 330 of the lithography beam 300.
  • the wording "substantially parallel" refers to cases in which the local direction of the axis 340d of the waveguide structure and the beam axis 330 form an angle of preferably less than 45°, more preferably less than 30°, and most preferably less than 25° ° or 20°.
  • the monomode can only be achieved by local embedding in the cladding material 30 with a high refractive index.
  • FIG. 8 shows an example of how different cladding materials 30a, 30b can be used for different sections 10i, 10j of the optical waveguide structure 10 for local coverage.
  • the optical waveguide structure 10 produced as a free-form structure detaches upwards from the optical coupling point 70a on an optical waveguide 120a associated with the optical substrate 110 and is surrounded by a first partial structure 21 of the guide structure 20 in the vicinity of section 10i.
  • the optical waveguide structure 10 follows an arbitrary trajectory before it is connected again to an optical waveguide 120b via the further optical coupling point 70b, which is not necessarily located on the same optical substrate 110.
  • the further section 10j of the optical waveguide structure 10 is encased by a further partial structure 22 of the guide structure 20 .
  • a different refractive index contrast can be achieved in the two sections 10i, 10j of the optical waveguide structure 10 within the respective partial structures 21, 22 of the guide structure 20.
  • a middle section 10h is not covered by the cladding material 30 - a high index contrast can thus be achieved in the region of the strongly curved waveguide section 10h, which, for example, reduces the propagation of light in the form of a so-called "whisper gallery mode”. Whispering gallery mode”).
  • FIGS 9 to 15 show three preferred examples which demonstrate the functionality of the present invention.
  • FIGS. 9 and 10 each show a preferred example of the optical waveguide component according to FIG. section (FIG. 10), while FIG. 11 shows a perspective view of an SEM recording after the introduction of the cladding material 30 .
  • the optical waveguide structure 10 produced by multiphoton lithography as a free-form microstructuring method connects the planar integrated optical waveguide 120 on the substrate 110 of an optical component via the optical coupling point 70 to an optical lens 200 produced using the same free-form microstructuring method, which is aligned via support feet 20c.
  • the optical waveguide component also includes the guide structure 20, which was also produced using the free-form microstructuring method mentioned.
  • the liquid-filled cladding material 30 is applied, which encloses the waveguide structure 10 without covering the refractive surface 210 of the optical lens 200.
  • the guide structure 20 is used here to supply the jacket material 30 , which can penetrate the guide structure 20 via an opening 25 using the capillary effect and fill it up to a height defined by the fluid stop 60 .
  • a local covering of the optical waveguide structure 10 is thus possible without encasing the adjoining optical component, in this case the adjoining optical lens 200, and thus reducing the refractive power on the refractive surface 210 of the optical line 200.
  • FIGS. 12 and 13 each show an SEM image of the optical waveguide component according to FIG. 3 before (FIG. 12) and after (FIG. 13) the introduction of the cladding material 30 in a plan view.
  • the two optical components 110a, 110b are connected to the optical waveguide structure 10 produced by means of a free-form microstructuring method, which is locally symmetrically surrounded by the cladding material 30.
  • the shape and trajectory of the optical waveguide structure 10 is adapted as well as possible to the position and orientation of the optical coupling points 70a, 70b of the optical waveguides 120a, 120b, which are located on the respective optical components 110a, 110b.
  • the three-dimensional geometry of the guide structure 20 is derived from the three-dimensional trajectory of the optical waveguide structure 10 and is anchored on one side to the optical component 110a by support structures 20a. With the help of the guide structure 20, it is thus possible to precisely define the shape and extent of the jacket region in the lateral direction and to design it in such a way that, apart from unavoidable anchoring points on the optical components 110a, 110b, it does not come into contact with other elements of the arrangement, such as others optical components or mounting plates ("submounts").
  • FIGS. 14 and 15 each show an SEM image of three optical waveguide components according to FIG. lOd that require a different refractive index contrast between the optical waveguide structure 10 and the respective environment for the best possible function.
  • the two feed regions of the optical waveguide structure 10 located in sections 10b, 10c are surrounded by the cladding material 30, while the polarization beam splitter located in section 10d should have a higher index contrast and is therefore ideally located in air.
  • the guide structure 20 surrounding the sections 10b, 10c serves at the same time to supply the cladding material 30, which penetrates via openings 25 in the guide structure 20 into the spatial area between the guide structure 20 and the optical waveguide structure 10 and the spatial area up to a height defined by the fluid stops 60 can fill in.
  • Local overlapping of the two sections 10b, 10c is thus possible in each optical waveguide component, while neither the section 10d of the optical waveguide structure 10 designed as a polarization beam splitter nor the optical component connected to it and in the form of an optical lens 200 are encased by the cladding material 30.
  • the waveguide structure 10, the guide structure 20 including the fluid stops 60 and the optical lens 200 including the support feet 20c were printed by means of direct-write multiphoton lithography.
  • the beam axis 330 of the lithography beam 300 shown in FIG high-resolution structuring of the waveguide structure in section lOd is possible. This makes it possible to produce the structure shown consistently single-mode with locally high index contrast between core and cladding, even under the restrictions of a direction-dependent resolution of the structuring process.
  • the reference symbols given in FIGS. 14 and 15 relate only to the central optical waveguide component shown there, but can be transferred in an analogous manner to the other two optical waveguide components.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das optische Wellenleiterbauelement umfasst: - mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13), die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiform Struktur ausgestaltet ist, und die mindestens einen ersten Abschnitt (10a, 10e, 10f, 10g, 10i, 10j), der von mindestens einem Mantelmaterial (30) umgeben ist aufweist; • - mindestens eine Führungsstruktur (20), die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiform Struktur ausgestaltet ist, in der Nähe des mindestens einen ersten Abschnitts (10a, 10e, 10f, 10g, 10i, 10j); und • - das mindestens eine Mantelmaterial (30), das einen Raumbereich zwischen dem mindestens einen ersten Abschnitt (10a, 10e, 10f, 10g, 10i, 10j) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) zumindest teilweise ausfüllt, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) einen Bereich festlegt, innerhalb dessen der mindestens eine erste Abschnitt (10a, 10e, 10f, 10g, 10i, 10j) von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist, und wobei mindestens ein zweiter Abschnitt (10b, 10c, 10d, 10h) der optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) oder mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) angrenzende optische Komponente (200) nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist.

Description

Optisches Wellenleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der integrierten Photonik und Mikro-Optik und betrifft ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das optische Wellenleiterbauelement kann hierbei zumindest teilweise mittels eines Verfahrens zur dreidimensionalen Freiform-Mikrostrukturierung erzeugt werden. Das optische Wellenleiterbauelement kann beispielsweise dazu dienen, Licht zwischen verschiedenen optischen Komponenten oder zwischen Freiraum- Strecken und optischen Komponenten zu übertragen. Andere Anwendungen sind denkbar.
Stand der Technik
Die Funktionsfähigkeit und die Effizienz eines optischen Wellenleiterbauelements hängen oft nicht nur von einer Position und einer dreidimensionalen Form funktionsrelevanter optischer Teilstrukturen, sondern auch von Brechungsindexunterschieden an Grenzflächen zwischen den das optische Wellenleiterbauelement bildenden Teil Strukturen ab. Viele Anwendungsfälle erfordern beispielsweise eine lateral einmodige Wellenführung, was durch einen hinreichend geringen Brechungsindexunterschied zu einem den Wellenleiterkern umgebenden Mantelbereich erreicht werden kann. In anderen Anwendungsfällen kann es dagegen vorteilhaft sein, einen höheren Brechungsindexunterschied einzustellen, beispielsweise um Abstrahlverluste in engen Wellenleiterbiegungen zu vermeiden oder um Führungseigenschaften der optischen Wellenleiterstruktur einstellen zu können. Darüber hinaus stellt sich bei vielen Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren das Problem einer richtungsabhängigen Auflösung, die zu unvermeidlichen richtungsabhängigen Variationen der kleinsten herstellbaren Querschnittsfläche von Lichtwellenleiterstrukturen führen. Ferner kann es wünschenswert sein, die Form des den Wellenleiterkem umgebenden Mantelmaterials in lateraler Richtung gezielt einstellen zu können, beispielsweise um eine in laterale Richtungen gleichmäßige Dicke des Mantelbereiches zu erreichen.
US 8 903 205 B2 und US 9 034 222 B2 offenbaren jeweils ein Verfahren und eine Anordnung, mit 3D-Lithographie an einer Zielposition gefertigte optische Freiform-Wellenleiter dazu zu nutzen, unterschiedliche optische Komponenten miteinander zu verbinden. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich die lichtleitenden Kerne der Freiform-Wellenleiter in Position, Form und Größe auf einfache Weise an die Position, Form und Größe der zu verbindenden optischen Bauteile anpassen lassen. Die hergestellten Freiform-Wellenleiterkerne werden dann global in ein in seiner weiteren Form Undefiniertes Mantelmaterial zum Zweck der Brechungsindexanpassung eingebettet.
EP 3 162 549 Al offenbart ein mittels eines 3D-Druckers lagenweise hergestelltes optisches Element, das mindestens eine ebenfalls mittels des 3D-Druckers lagenweise hergestellte mikrofluidische Kavität umfasst, die zum Zweck der Bereitstellung gewünschter Eigenschaften in bestimmten Anwendungsbeispielen mit einer funktionalen Substanz gefüllt wird. Die hierein beschriebenen Anwendungsbeispiele beziehen sich auf optische Anordnungen umfassend Linsen und Blenden.
WO 2020/085083 Al offenbart eine Anordnung umfassend zwei optische Wellenleiter, die mittels einer aus Photoresist hergestellten 3D-gedruckten Wellenleiterstruktur verbunden sind, sowie weiterhin eine ebenfalls 3D-gedruckte Kastenstruktur um den optischen Wellenleiter, die dazu eingerichtet ist, eine Ummantelung mit Luft zu ermöglichen. Weiterhin wird eine Anordnung offenbart, die es mittels Strukturierung des Photoresists ermöglicht, eine abschnittsweise Einbettung des optischen Wellenleiterkerns in einen geraden Abschnitt mit strukturierbarem Material bereitzustellen, während gebogenen Regionen weiterhin mit Luft umhüllt bleiben.
US 2015/0078712 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Verbindung, umfassend ein 3D-Drucken einer Vielzahl von sich nicht überschneidenden und voneinander beabstandet angeordneten optischen Wellenleitern aus einem Material, das elektromagnetische Wellen leitet. Zumindest einige der optischen Wellenleiter ändern ihre Richtung mindestens einmal um etwa 90°. Das Verfahren umfasst ferner eine Ummantelung wenigstens jedes Endes der optischen Wellenleiter mit einem Material, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Material, aus dem die optischen Wellenleiter gebildet wurden..
WO 2019/165205 Al offenbart eine sich veijüngende Kernstruktur, die mittels eines 3D- Druckverfahrens auf das Ende einer optischen Faser geschrieben wird. Der sich veijüngende Kern kann den Moden-Durchmesser vergrößern, um die Kopplung zwischen den Fasern zu verbessern oder den Moden-Durchmesser verringern, um die Kopplung mit einem Wellenleiter zu verbessern, der kleiner als der Faserkern ist. Der Kern ist von einer Ummantelung umgeben. Der Durchmesser des Kems wird während des Schreibens variiert, um verschiedene Profile zu erzeugen. Mittels des 3D-Druckverfahrens lassen sich mehrere Fasern im selben Prozesszyklus mit konischen Kernen versehen. US 2012/0057841 Al offenbart Verfahren, die eine optische Faserabschlussstruktur mit kleinen Volumen und sehr geringer Rückflussdämpfung bereitstellen, selbst dann, wenn sich die Faserabschlussstruktur in unmittelbarer Nähe zu reflektierenden Oberflächen befindet.
DE 100 33 899 Al offenbart einen Schalter für elektromagnetische Strahlung, aufgebaut aus mindestens zwei Steuerelektroden, einem oder mehreren Ein- und Ausgängen für die zu schaltende elektromagnetische Strahlung und elektrophoretisch mobilen, für die elektromagnetische Strahlung nicht durchlässigen Partikel in einer für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Suspension.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, welche die Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, Brechungsindexunterschiede an internen Grenzflächen zwischen den das optische Wellenleiterbauelementbildenden Teil Strukturen und insbesondere zwischen dem Wellenleiterkem und dem Mantel auf jeweils mindestens eine gewünschte Funktionalität einzustellen und innerhalb der Struktur, insbesondere entlang der Ausbreitungsrichtung des im Wellenleiter geführten Lichtes, gezielt variieren zu können. Insbesondere soll es damit möglich sein, die mittels eines Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens hergestellten, in Bezug auf ihre Form fünktionsrele- vanten Teilstrukturen des optischen Wellenleiterbauelements, wie z.B. die Wellenleiterkerne, zur Einstellung des Brechungsindex mit einer möglichst großen Vielfalt an lokal aufgebrachten und entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts variierenden Mantelmaterialien kombinieren zu können, wobei die verwendeten Mantelmaterialien nicht notwendigerweise durch ein Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren hochaufgelöst strukturierbar sein müssen.
Weiterhin liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Herstellung von durchgehend einmodigen Wellenleiterstrukturen mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens zu ermöglichen. So findet beispielsweise bei auf Mehrphotonen- absorption beruhenden Lithographieverfahren eine Polymerisationsreaktion in einem den Fokuspunkt des Schreib Strahls umgebenden Raumbereich, einem sog. Voxel, statt, der eine entlang der Strahlrichtung ausgedehnte, von der numerischen Apertur des jeweils verwendeten Objektivs abhängige ellipsoidale Form aufweist. Die richtungsabhängige Ausdehnung dieses Voxels bestimmt die Auflösung und Form der herstellbaren Strukturen, was insbesondere bei einmodigen Wellenleitern zu starken Einschränkungen führen kann. Bei Zwei- photonenlithographie mit einer häufig verwendeten Lithographie-Wellenlänge von 780 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 1,4 liegt die entlang des Lithographiestrahls gemessene Länge des Voxels typischerweise zwischen 1 pm und 2 pm, während die senkrecht dazu gemessene Breite typischerweise weniger als 500 nm beträgt. Gleichzeitig liegt bei einem von Luft (Brechungsindex 1,0) umgebenen Wellenleiterkem mit einer Betriebswellenlänge von 1,5 pm, einem Brechungsindex von 1,5 und einer runden Querschnittsfläche die Grenze zur Mehrmodigkeit bei einem Radius von ca. 500 nm. Wellenleiterabschnitte, die anstatt von einem festen oder flüssigen Mantelmaterial von Vakuum, Luft oder einem anderen Gas (Brechungsindex ca. 1,0) umgeben sind, sind für bestimmte Funktionen wie z.B. Verzweigungen oder Polarisationsstrahlteiler unabdingbar und lassen sich mit diesem Verfahren nur dann einmodig ausgestalten, wenn die Wellenleiterachse im Wesentlichen parallel zur Achse des Lithographiestrahls orientiert ist. Für Wellenleiterabschnitte, deren Achse senkrecht oder in einem großen Winkel zum Lithographie strahl orientiert ist, kann dagegen bei hohem Indexkontrast mit dem vorstehend beschriebenen Lithographieverfahren keine Einmodigkeit erreicht werden. Die Aufgaben der Erfindung besteht diesbezüglich darin, durchgehend einmodige, durch dreidimensional-direktschreibende Laserlithographie hergestellte Wellenleiterstrukturen auch dann zu ermöglichen, wenn diese Elemente enthalten, die auf einem hohen Brechungsindexkontrast zwischen Kern und Mantel beruhen. Unter einem einmodigen Wellenleiter wird in diesem Zusammenhang ein Wellenleiter verstanden, bei dem in jeder Querschnittsfläche maximal zwei bzgl. ihrer Polarisation unterscheidbare Grundmoden ausbreitungsfähig sind.
Weiterhin liegt die Aufgabe der Erfindung darin, durch ein 3D-Mikrostrukturierungsverfah- ren hergestellte Wellenleiterkeme mit einem Mantelbereich mit in lateraler Richtung wohldefinierter Form zu kombinieren, der einen Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen ermöglicht. Dieser Mantelbereich soll so ausgestaltet sein, dass mechanische Spannungen und andere auf den Mantelbereich wirkende Kräfte weitgehend minimiert und damit eine ungewollte Deformation des Wellenleiterkems vermieden wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Wellenleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf, "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „bevorzugt“, „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden sollen. Weiterhin sollen durch diese ein- leitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Wellenleiterbauelement, umfassend:
- mindestens eine optische Wellenleiterstruktur, die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist;
- mindestens eine Führungsstruktur, die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur; und
- mindestens ein Mantelmaterial, das einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur zumindest teilweise ausfüllt.
Insbesondere kann das mindestens eine Mantelmaterial den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur derart ausfüllen, dass mindestens ein erster Abschnitt der optischen Wellenleiterstruktur von dem mindestens einen Mantelmaterial umgeben ist, wobei die mindestens eine Führungsstruktur einen Bereich festlegt, innerhalb dessen der mindestens eine erste Abschnitt von dem Mantelmaterial umgeben ist, und dass mindestens ein zweiter Abschnitt der optischen Wellenleiterstruktur oder mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur angrenzende optische Komponente nicht von mindestens einen Mantelmaterial umgeben ist. Bevorzugt kann hierbei die mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur angrenzende optische Komponente, die nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial umgeben ist, mit demselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren wie die erste dreidimensionale Freiformstruktur hergestellt sein.
Die Begriffe „optisch“, „Strahlung“ oder „Licht“ betreffen jede Art von elektromagnetischen Wellen, die sich in einem optischen Wellenleiter führen lassen. Neben dem sichtbaren optischen Bereich, der eine Vakuumwellenlänge X zwischen 400 nm und 800 nm aufweist, gehören hierzu insbesondere der UV-Bereich von 1 nm < X < 400 nm, der Infrarot-Bereich von 800 nm < k < 1 mm und der Mikrowellenbereich von 1 mm < < 1 m, wobei der Bereich von 30 pm < X < 3 mm auch als „THz-Bereich“ und der Bereich von 1 mm < k < 1 cm auch als „Millimeterwellenbereich“ bezeichnet werden. Im Folgenden angegebene Zahlenwerte, insbesondere für Abmessungen von Strukturen oder zur Beschreibung von Leistungsparametern von Mikrostrukturierungsverfahren, z.B. für Auflösung oder Genauigkeit, beziehen sich, soweit nicht anders erwähnt, auf Anordnungen, die für eine Vakuum-Betriebswellenlänge X von ca. 1,5 pm eingerichtet sind. Für andere Betriebswellenlänge lassen sich die angegebenen Zahlenwerte proportional zur Wellenlänge, insbesondere unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verwendeten Materialien, skalieren.
Das optische Wellenleiterbauelement umfasst mindestens eine optische Wellenleiterstruktur, die in Form einer, vorzugsweise mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsver- fahren erzeugten, dreidimensionalen Freiformstruktur vorliegt. Der Begriff des „optischen Wellenleiterbauelements“ bezeichnet hierbei ein optisches Bauelement, in dem Licht zumindest abschnittsweise mittels eines optischen Wellenleiters geführt wird, und das somit über mindestens eine optische Wellenleiterstruktur verfügt. Der Begriff der „optischen Wellenleiterstruktur" bezeichnet im Allgemeinen eine beliebige Anordnung, die zur Führung einer elektromagnetischen Welle im oben definierten Wellenlängenbereich eingerichtet ist. Hierzu gehören insbesondere einzelne optische Wellenleiter, optische Wellenleiter mit Verzweigungen, Polarisationsfilter, Polarisationsstrahlteiler, Polarisationskonverter, Taper, Richtkoppler, Koppler basierend auf Multimoden-Interferenz (MMI), Wellenleiternetzwerke sowie wellenleiterbasierte Bauelemente, auch in Kombination mit mikro-optischen Elementen wie Linsen, Spiegeln, oder Prismen. Andere Arten optischer Wellenleiterstrukturen sind jedoch denkbar. Die Führung der elektromagnetischen Welle in der optischen Wellenleiterstruktur kann hierbei insbesondere mittels Totalreflexion an einer optischen Grenzfläche oder mittels Mehrfachreflexion an periodisch angeordneten Elementen, beispielsweise im Falle eines auf einer photonischen Bandlücke oder auf einem photonischen Kristall beruhenden optische Wellenleiters erfolgen. In komplexeren optischen Wellenleiterstrukturen, wie z.B. in sog. „Sub-Wavelength Grating Waveguides“, kurz „SWG“, beruht die Wellenführung auf einem im Bereich des Wellenleiterkerns effektiv erhöhten Brechungsindex. Die Wellenführung mittels optischer Wellenleiterstruktur beruht hierbei auf der Tatsache, dass im Gegensatz zu einer Propagation des Lichts im Freiraum die Divergenz des in der optischen Wellenleiterstruktur propagierenden Lichts in lateraler Richtung durch eine fortwährende Interaktion des Lichts mit dielektrischen Grenzflächen verhindert oder, im Falle eines sich veijüngenden oder sich verbreiternden optischen Wellenleiters, kontrolliert wird. Dadurch wird es möglich, Licht in einem in Ausbreitungsrichtung elongierten Bereich in axialer Richtung zu führen, wobei das Verhältnis der axialen Ausdehnung des lichterfüllten Bereichs bevorzugt mehr als 3, besonders bevorzugt mehr als 5, und ganz besonders bevorzugt mehr als 10 oder 20 beträgt. Zusätzlich zu der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur kann das optische Wellenleiterbauelement noch weitere, optische Strukturen aufweisen, insbesondere ausgewählt aus mindestens einem refraktiven, diffrakti- ven und/oder reflektiven optischen Element, zum Beispiel mindestens einer Linse oder einem Spiegel, die dazu eingerichtet sind, die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung in dem optischen Wellenleiterbauelement zusätzlich zu verändern.
Das vorliegende optische Wellenleiterbauelement umfasst ferner mindestens eine Führungsstruktur, die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, die sich in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur befindet. Mittels der Führungsstruktur lässt sich ein präzise definierbarer Bereich festlegen, innerhalb dessen die optische Wellenleiterstruktur mit einem Mantelmaterial umgeben werden kann, wofür vorzugsweise Kapillarkräfte in einem auch als „Zwischenraum“ bezeichneten „Raumbereich“ zwischen der mindesten einen Führungsstruktur und der mindesten einen optischen Wellenleiterstruktur verwendet werden können. Der Begriff der „Nähe“ bezeichnet einen in geeigneter Weise gewählten Abstand zwischen der Führungsstruktur und dem mit dem mindestens einen Mantelmaterial zu umgebenden, mindestens einen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur. Der Abstand, welcher den Begriff „Nähe“ festlegt, wird hierbei mindestens so groß gewählt, dass dieser ein Vielfaches einer Eindringtiefe der in dem mindestens einen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur geführten optischen Strahlung in den umgebenden Mantelbereich beträgt, um ein Koppeln der geführten Strahlung mit der Führungsstruktur zu vermeiden. Die Eindringtiefe <5 ist dabei definiert als Tiefe, bei welcher das von der in der Wellenleiterstruktur geführten Mode erzeugte eva- neszente elektrische Feld um den Faktor 1/e abgefallen ist. Insbesondere lässt sich die Eindringtiefe <5 abschätzen mit Gleichung (1): ö « Z/(ne 2 - n2 2) > Z/O - n2 2), (1) wobei n-L den Brechungsindex in der optischen Wellenleiterstruktur, n2 den Brechungsindex in dem die optische Wellenleiterstruktur umhüllenden Mantelbereich und ne den effektiven Brechungsindex der in der Wellenleiterstruktur geführten Mode bezeichnen. Der Abstand kann hierbei insbesondere mindestens so groß gewählt werden, dass der Abstand bevorzugt das Doppelte, besonders bevorzugt das Dreifache, ganze besonders bevorzugt das Fünffach oder das Zehnfache der Eindringtiefe <5 beträgt. Bei einer Vakuum-Betriebswellenlänge des optischen Wellenleiterbauelements von ca. 1,5 pm liegt dieser Abstand bevorzugt von 1 pm bis 500 pm, besonders bevorzugt von 2 pm bis 100 pm, insbesondere von 5 pm bis 50 pm. Für andere Betriebswellenlängen lassen sich die angegebenen Zahlenwerte proportional zur Wellenlänge, insbesondere unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verwendeten Materialien, skalieren. Die Führungsstruktur kann hierbei bevorzugt so ausgestaltet sein, dass die Führungsstruktur keinen direkten Kontakt zum Kem der Wellenleiterstruktur aufweist. Die mindestens eine Führungsstruktur ermöglicht es, mindestens einen von der mindestens einen Führungsstruktur umgebenen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur, insbesondere unter Ausnutzung von Kapillarkräften, lokal mit dem mindestens einem Mantelmaterial zu umschließen und damit den Brechungsindexkontrast des mindestens einen Wellenleiterabschnitts gezielt einzustellen. Auf diese Weise können bei komplexeren optischen Wellenleiterstrukturen, die mehrere Abschnitte umfassen, auch einzelne Bereiche mit dem mindestens einen Mantelmaterialien versehen werden, oder aber es können mehrere Abschnitte mit verschiedenen Mantelmaterialien versehen werden, so dass der Brechungsindexkontrast an der Kem-Mantel-Grenzfläche derart ausgestaltet sein kann, dass sich der Brechungsindexkontrast entlang der Ausbreitungsrichtung ändert. Dies kann vorteilhaft sein für eine Kombination aus verschiedenen optischen Elementen, deren Ausgestaltung jeweils unterschiedliche Anforderungen an den Brechungsindexkontrast stellt. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Führungsstruktur als Schutz Struktur kann es insbesondere möglich sein, eine ungewollte Einbettung von Teilbereichen der Wellenleiterstruktur in das Mantelmaterial zu vermeiden.
Ferner löst die Erfindung das Problem, durchgehend einmodige Wellenleiterstrukturen mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kem und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens herzustellen. So können Wellenleiterabschnitte, die einen für bestimmte Funktionen wie z.B. Verzweigungen oder Polarisationsstrahl teiler unabdingbaren hohen Indexkontrast aufweisen müssen, so ausgerichtet werden, dass die Wellenleiterachse im Wesentlichen parallel zur Achse des Lithogra- phiestrahls orientiert ist und dass somit eine bestmögliche Auflösung bei der lithographischen Definition des Wellenleiterkerns erreicht wird. Andere Wellenleiterabschnitte, deren Achse senkrecht oder in einem großen Winkel zum Lithographiestrahl orientiert sind, können dagegen mit größerem Querschnitt strukturiert und durch eine lokale Einbettung in ein Mantelmaterial mit hinreichend hohem Brechungsindex einmodig ausgestaltet werden. Für eine Strukturierung mit einem im Wesentlichen parallel zur Achse des Lithographie Strahls orientierten Wellenleiterabschnitt mit hohem Indexkontrast liegt der größte senkrecht zur Wellenleiterachse gemessene Durchmesser des Wellenleiterkerns bevorzugt unterhalb von 3 pm, besonders bevorzugt unterhalb von 2 pm, und ganz besonders bevorzugt unterhalb von 1,5 pm. Für eine Strukturierung mit einem im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Lithographiestrahls orientierten Wellenleiterabschnitt mit geringem Indexkontrast liegt der größte senkrecht zur Wellenleiterachse gemessene Durchmesser des Wellenleiterkerns bevorzugt von 1,5 pm bis 25 pm, besonders bevorzugt von 1,5 pm bis 15 pm, und ganz besonders bevorzugt von 2 pm bis 12 pm. Diese Zahlenwerte beziehen sich auf eine Umset- zung der Erfindung mit Hilfe eines auf Mehrphotonenabsorption beruhenden Lithographieverfahrens bei einer Lithographie-Wellenlänge von 780 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 1,4. Für andere Lithographieverfahren müssen die genannten Werte entsprechend der jeweils vorliegenden Voxelform angepasst werden. Für geringere Aperturwerte erhöht sich infolge eines stärker elongierten Voxels insbesondere der größte senkrecht zur Wellenleiterachse gemessene Durchmesser des Wellenleiterkerns in den senkrecht zur Achse des Lithographiestrahls orientierten Wellenleiterabschnitten.
Darüber hinaus ermöglich es die Erfindung, durch eine entsprechende Ausgestaltung der mindestens einen Führungsstruktur die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise zu definieren. Der Begriff „lateral“ bezeichnet hierbei eine Richtung, die lokal senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des im Wellenleiter geführten optischen Feldes ist; eine Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung wird als „axial“ bezeichnet. Damit wird es möglich, den zum Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen unabdingbaren Mantelbereich so auszugestalten, dass er abgesehen von unvermeidlichen Verankerungspunkten keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung wie z.B. anderen optischen Bauteilen oder Montageplatten („Submounts“) aufweist. Damit wird es möglich, die von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkenden Kräfte weitgehend zu minimieren und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung des Wellenleiterkerns zu vermeiden. Von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkende Kräfte können sich beispielsweise infolge thermisch oder anderweitig induzierter mechanischer Spannungen ergeben und zu einer reduzierten Lebenszeit des Wellenleiterbauelements führen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Führungsstruktur derart ausgestaltet sein, dass sich eine symmetrische Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur durch das Mantelmaterial ergibt, so dass sich auch innerhalb des Mantelmaterials beispielsweise in Folge eines Aushärteprozesses und eines damit verbundenen Schrumpfungsprozesses auftretende Kräfte weitgehend kompensieren, ohne die Wellenleiterstruktur zu deformieren.
Weiterhin kann die mindestens eine Führungsstruktur mindestens einen Fluidstopp aufweisen, der bevorzugt in die mindestens eine Führungsstruktur integriert sein kann. Der Begriff des „Fluidstopps“ bezeichnet hierbei eine Teilstruktur der mindestens einen Führungsstruktur, die eine Barriere für ein weiteres Vordringen eines Materials, insbesondere mindestens eines zu einem Zeitpunkt des Einbringens in die den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur flüssig vorliegenden Mantelmaterials, darstellt. Auf diese Weise kann ein Vordringen oder eine Ausdehnung des mindestens einen Mantelmaterials über einen festgelegten Bereich hinaus verhindert werden. Die mindestens eine Führungsstruktur, welche den mindestens einen von dem mindestens einen Mantelmaterial umschlossenen Abschnitt der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur festlegt, ermöglicht es, eine große Vielfalt an Materialien als Wellenleitermantel einzusetzen. Hierzu ist es nicht erforderlich, dass das mindestens eine Mantelmaterial durch ein Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren selbst hochaufgelöst strukturierbar ist; vielmehr genügt es, dass sich das mindestens eine Mantelmaterial, insbesondere mittels eines Dispensierverfahrens zwischen der mindestens einen Führungsstruktur und der als Wellenleiterkern ausgestalteten mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur einbringen lässt. Hierbei kann das Einbringen vorzugsweise dadurch erleichtert werden, dass die mindestens eine Führungs Struktur um mindestens eine weitere Zuführungsstruktur ergänzt wird, durch die das mindestens eine Mantelmaterial eingefüllt werden kann. In vorteilhafter Weise kann hierbei die mindestens eine Zuführungsstruktur derart ausgestaltet sein, dass das mindestens eine Mantelmaterial von einem gemeinsamen Zuführungspunkt aus an unterschiedliche Führungsstrukturen geleitet wird, wodurch ein rationelles Aufbringen des mindestens einen Mantelmaterials insbesondere bei komplexen Führungsstruktur ermöglicht wird.
Das mindestens eine Mantelmaterial kann aus einer Vielzahl von Materialien ausgewählt werden. In einer Ausgestaltung, in welcher der Wellenleiterkem mindestens ein Polymer umfasst, eignen sich hierfür insbesondere niedrigbrechende Polymere, die fluoriniert sein können oder polysiloxan-basierte Komponenten aufweisen können. Das mindestens eine Mantelmaterial, das die als Wellenleiterkern ausgestaltete, mindestens eine optische Wellenleiterstruktur zumindest bereichsweise umgibt, weist einen Brechungsindex auf, der bevorzugt von 1 bis 1,5, besonders bevorzugt von 1,2 bis 1,5, insbesondere von 1,3 bis 1,45, ist. Der Brechungsindexunterschied zwischen dem Material des Wellenleiterkems und dem mindestens einen Mantelmaterial ist bevorzugt von 0,05 bis 1, besonders bevorzugt von 0,1 bis 0,7, insbesondere von 0,15 bis 0,6. Das Mantelmaterial kann bevorzugt so gewählt werden, dass es eine möglichst geringe Absorption bei der Betriebswellenlänge des optischen Wellenleiters hat. Die Materialabsorption des Mantelmaterials bei der Betriebswellenlänge von ca. 1,5 pm liegt bevorzugt unter 10 dB/mm, besonders bevorzugt unter 5 dB/mm, und ganz besonders bevorzugt unter 2 dB/mm oder 1 dB/mm. Bei anderen Betriebswellenlängen sind diese Werte antiproportional zur Wellenlänge zu skalieren. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorgeschlagene Anordnung wird auf die untenstehenden Ausführungsbeispiele verweisen. In einer bevorzugten Ausgestaltung lässt sich das erfindungsgemäße optische Wellenleiterbauelement in direktem physikalischem Kontakt mit weiteren optischen Komponenten erzeugen und dabei, vorzugsweise präzise, an optischen Koppelstellen dieser Komponenten ausrichten. Der im Folgenden verwendeten Begriff der „optischen Koppelstelle“ bezeichnet
- einerseits eine Fläche einer lichtabstrahlenden optischen Komponente oder einer Struktur der lichtab strahlenden optischen Komponente, welche das Licht bei einer Abstrahlung des Lichtes als letztes durchstößt, oder
- andererseits die Fläche einer lichtempfangenden optischen Komponente oder einer Struktur der lichtempfangenden optischen Komponente, welche bei einem Empfang von Licht als erstes von dem Licht beaufschlagt wird.
Im Folgenden bezeichnen die Begriffe „optisches Bauteil" und „optische Komponente" ein optisches Element, das zu Emission, Transport, Empfang, Detektion und/oder Manipulation von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist, während der Begriff „optisches System" eine Anordnung von mindestens zwei optischen Komponenten oder eine Kombination einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Anordnungen untereinander, mit mindestens einer optischen Komponente oder mit mindestens einer weiteren, in Kombination mit der erfindungsgemäßen Anordnung hergestellte Zusatzstruktur, insbesondere mindestens einem optischen Wellenleiter oder mindestens einem mikrooptischen Element bezeichnet. Vorzugsweise ist jede im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete optische Komponente ausgewählt aus der Gruppe umfassend: optische Glasfasern, insbesondere Einmodenfasern oder Mehrmodenfasern aus organischen oder anorganischen Materialien; integriert-optische Chips, insbesondere Fotodioden, lineare oder flächige Fotodiodenarrays, CCD-Arrays oder Bildsensoren, insbesondere auf der Basis von Halbleitern, vorzugsweise Silizium oder III- V-Verbindungshalbleitern, oder dielektrischen Materialien, bevorzugt Gläser, Siliziumdioxid, Silizium-Nitrid oder Polymeren; Bolometer; Laser, insbesondere oberflächenemittierende Laser (engl. vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSEL) oder kantenemittierende Laser; Superlumineszenz-Dioden; optische Leiterplatten; Elemente für die Freistrahl-Optik, insbesondere Linsen, Strahlteiler, Isolatoren, Spiegel oder Beugungsgitter. Andere optische Komponenten sind denkbar. Die optischen Komponenten können bevorzugt optische Wellenleiter mit geringem Indexkontrast, insbesondere Glas-basierte optische Wellenleiter, oder mit mittlerem oder hohem Indexkontrast, insbesondere Wellenleiter auf Basis von Halbleitern oder dielektrischen Materialien, umfassen. Eine Einkopplung oder Auskopplung von Licht kann vorzugsweise an einer Kante oder auf einer Oberfläche der optischen Komponente erfolgen; insbesondere an einer Kante eines kantenemittierenden Lasers, an einer Chipkante, oder an einer Facette eines wellenleiterbasierten Systems; alternativ an einer Oberfläche eines oberflächenemittierenden Lasers oder einer oberflächenbeleuchteten Fotodiode, oder auf der Oberfläche eines wellenleiterbasierten Chips, der über mindestens eine optische Koppelstelle, insbesondere umfassend einen Gitterkoppler oder einen Umlenkspiegel, verfügt. Andere Arten der Einkopplung oder der Auskopplung von Licht sind jedoch möglich.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterbauelements, insbesondere eines hierin offenbarten optischen Wellenleiterbauelements. Die Schritte des Verfahrens sind im Einzelnen: a) Herstellen mindestens einer optischen Wellenleiterstruktur, die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, mittels eines ersten Freiform- Mikrostrukturierungsverfahrens; b) Herstellen mindestens einer Führungsstruktur, die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens; und c) Einbringen mindestens eines Mantelmaterials in einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur.
Insbesondere kann das Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials in den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur gemäß Schritt c) derart erfolgen, dass mindestens ein erster Abschnitt der optischen Wellenleiterstruktur von dem mindestens einen Mantelmaterial umgeben wird, wobei die mindestens eine Führungsstruktur einen Bereich festlegt, innerhalb dessen der mindestens eine erste Abschnitt von dem Mantelmaterial umgeben wird, und dass mindestens ein zweiter Abschnitt der optischen Wellenleiterstruktur oder mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur angrenzende optische Komponente nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial umgeben wird. Bevorzugt kann hierbei die mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur angrenzende optische Komponente, die nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial umgeben wird, mit demselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren wie die erste dreidimensionale Freiformstruktur hergestellt werden.
Die Durchführung der Schritte a) und b) muss nicht streng sequenziell erfolgen, sondern kann auch in andere, parallel ablaufende Fertigungsprozesse eingebunden sein. Hierbei kann jeder der Schritte a) bis c) auch mehrfach durchgeführt werden, wobei zumindest aufeinanderfolgende Schritte auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte zusätzlich ausgeführt werden. Die Herstellung der vorliegenden Strukturen, d.h. der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur, der mindestens einen Führungsstruktur und optional mindestens einer zur mechanischen Fixierung der mindestens einen Führungsstruktur eingerichteten Stützstruktur, erfolgt in situ, d.h. direkt an einer Zielposition, mittels mindestens eines geeigneten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens. Hierbei bezeichnet der verwendete Begriff des „Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens“ ein subtraktives oder additives Herstellungsverfahren, mit welchem sich dreidimensionale Strukturen, bevorzugt Freiformstrukturen, herstellen lassen. Unter dem Begriff der „Freiformstruktur“ wird in diesem Zusammenhang eine Struktur verstanden, die, im Rahmen technischer Begrenzungen in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit zumindest bereichsweise beliebig gekrümmte Oberflächen aufweisen kann. Die Freiformstruktur unterscheidet sich damit insbesondere von Strukturgeometrien, die sich durch klassische planare Mikrostrukturierungsverfahren, also z.B. durch eine Kombination von Dünnschichtabscheidungsverfahren, zweidimensionalen Lithographieverfahren, z.B. Projektionslithographie, und Ätzprozessen auf ebenen Substraten herstellen lassen. Eine Kombination dieser klassischen Prozesse führt in der Regel zu prismenähnlichen dreidimensionalen Strukturgeometrien, welche je eine, im Wesentlichen zur Substratoberfläche parallele Grund- und Deckfläche aufweisen, die in der Form identisch oder sehr ähnlich sind, und die, abhängig vom ausgewählten Ätzprozess oder Abscheideprozess, mittels zur Substratoberfläche senkrechte, geneigte, oder auch nach innen oder außen gewölbte Seitenwände miteinander verbunden werden. Die Form der Grund- und Deckfläche wird dabei im Wesentlichen durch die zum lokalen Ätzen oder Abscheiden verwendete, oftmals lithographisch strukturierte Maske vorgegeben. Durch mehrmalige Wiederholung des Ätzprozessen oder des Abscheideprozesses mit verschiedenen Masken lassen sich mehrschichtige, aus mehreren prismenähnlichen Teil Strukturen bestehende Strukturen aufbauen. Allerdings ist der mit dieser Wiederholung verbundene Zusatzaufwand enorm und in vielen Fällen auch durch eine Überlagerungsgenauigkeit (engl. overlay accuracy) beschränkt, so dass eine Anzahl an Schichten in der Praxis oft auf einige wenige, z.B. auf drei, begrenzt ist. Dies führt insbesondere zu geometrischen Einschränkungen der mit klassischen Mikrostrukturierungsverfahren mit vertretbarem Aufwand herstellbaren Strukturen und damit zu funktionellen Einschränkungen der dadurch gebildeten Bauteile.
Freiformstrukturen, die mittels Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt sind o- der werden, sind diesen Einschränkungen nicht oder zumindest nicht in demselben Maße unterworfen, da ihre Strukturgeometrie nicht auf einer Kombination einer vergleichsweise geringen Anzahl an ebenen, prismenähnlichen Teil Strukturen eingeschränkt ist. Damit wird es insbesondere möglich, optische Wellenleiterbauelemente und/oder Führungsstrukturen mit beliebigen dreidimensionalen Geometrien zu erzeugen. Hierbei ist generell zu bemerken, dass Freiformstrukturen in vielen Fällen zwar ebenfalls aus einer Vielzahl einzelner Schichten hergestellt werden, vorzugsweise durch einen mehrlagigen Material auftrag beim 3D- Druck oder durch eine photochemisch induzierte Aushärtung verschiedener Schichten bei einem 3D-Lithographieverfahren. Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erlauben es allerdings, die Anzahl dieser Schichten mit vertretbarem Herstellungsaufwand so groß zu wählen, dass sich eine gute Approximation der Freiformstruktur ergibt und dass die Diskretisierung in einzelne Schichten keine praktisch funktionsrelevante Einschränkung der herstellbaren Strukturgeometrien mehr darstellt. Die vorliegenden Strukturen werden dabei bevorzugt aus mindestens 5, besonders bevorzugt mindestens 10, insbesondere mindestens 20 oder 30, Schichten aufgebaut.
Zur Herstellung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur für eine Vakuum-Betriebswellenlänge von ca. 1,5 pm liegt eine Dicke einer Schicht bevorzugt zwischen 10 nm und 1000 nm, besonders bevorzugt zwischen 30 nm und 500 nm, insbesondere zwischen 50 nm und 300 nm. Damit wird es möglich, die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur mit Abweichungen von weniger als 1000 nm, besonders bevorzugt weniger als 500 nm, insbesondere weniger als 100 nm, zu erzeugen. Die Auflösung des Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens ist hierbei bevorzugt besser als 3 pm, besonders bevorzugt besser als 1 pm, insbesondere besser als 500 nm. Die vorstehend genannten Zahlenwerte beziehen sich auf die Herstellung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur, die für eine Vakuum-Betrieb swell enlänge von ca. 1,5 pm vorgesehen sind. Für andere Betriebsfrequenzen lassen sich die Abmessungen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur und damit die Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung des zur Herstellung verwendeten Mikrofabrikationsverfahrens entsprechend, ggf. unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verwendeten Materialien, skalieren.
Zur Herstellung der mindestens einen Führungsstruktur und optional der mindestens einen Stützstruktur genügen geringere Anforderungen an die Genauigkeit und die Auflösung der Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren, wodurch sich in vielen Fällen eine vorteilhafte Erhöhung der Strukturierungsgeschwindigkeit erreichen lässt. Abhängig von der Größe der mindestens einen Führungsstruktur und ihrem Abstand zu der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur können zur Herstellung der mindestens einen Führungsstruktur Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren verwendet werden, bei denen die Abweichungen der realisierten Struktur von der idealen Struktur bevorzugt höchstens 10 pm, besonders bevorzugt höchstens 3 pm, insbesondere höchstens 1 pm betragen. Die zugehörigen Auflösungen sind bevorzugt besser als 50 pm, besonders bevorzugt besser als 10 pm, insbesondere besser als 5 pm oder 2 pm. Zur Herstellung der optischen Wellenleiterstruktur und der mindestens einen Führungsstruktur können unterschiedliche Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren oder dasselbe Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren verwendet werden; wobei sich bei einer Verwendung desselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens alle Strukturen in vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Arbeitsgang erzeugen lassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können das Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren und/oder eine ein derartiges Verfahren ermöglichende Freiform-Mikrostrukturierungsein- heit auf einem lithographischen Verfahren beruhen, das insbesondere der Konzept der Stereolithographie oder direktschreibende, bevorzugt dreidimensional-direktschreibende, Lithographieverfahren nutzt. Dabei können additive oder Subtraktive Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, wobei der Begriff des „additiven Fertigungsverfahrens“ ein Herstellungsverfahren bezeichnet, bei welchem Material kontinuierlich an oder auf eine Struktur an- oder aufgebracht wird, während der Begriff des „subtraktiven Fertigungsverfahrens“ ein alternatives Herstellungsverfahren beschreibt, bei welchem Material von einer Struktur entfernt wird. Der Materialauftrag oder Materi al ab trag lässt sich in der bevorzugten Ausführungsform mit lithographischen Verfahren unter Verwendung geeigneter Fotolacke, insbesondere Negativ- oder Positivlacke, erreichen. In einer bevorzugten Ausgestaltung können dabei Flächenlichtmodulatoren, die eine schnelle Strukturierung erlauben, in einem Stereolithographieverfahren verwendet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung können Mehr- photonen-Lithographieverfahren, insbesondere mittels gepulster Laserquellen, als direktschreibende Lithographieverfahren verwendet werden. Dabei können Lichtpulse mit einer Pulsdauer von höchstens 10 ps, bevorzugt von höchstens 1 ps, besonders bevorzugt höchstens 200 fs, insbesondere höchstens 100 fs, bei einer Wiederholrate von bevorzugt mindestens 1 MHz, bevorzugt von 10 MHz, besonders bevorzugt von mindestens 25 MHz, insbesondere von mindestens 80 MHz, verwendet werden. Hierfür eignen sich insbesondere Laserlichtquellen ausgewählt aus faserbasierten Femtosekundenlasern oder gepulsten Festkörperlasern wie Titan: Saphir-Laser oder Diodenlaser, die sich mit Frequenzkonversionseinheiten, beispielsweise zur Frequenzvervielfachung, zur Summenfrequenzerzeugung oder zur Differenzfrequenzerzeugung kombinieren lassen. Abhängig vom verwendeten Lithographieverfahren können dabei bevorzugt Wellenlängen im nahinfraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich oder im Bereich der extremen UV-Strahlung (EUV) oder der Röntgenwellenlängen zum Einsatz kommen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegen diese Wellenlängen von 150 nm bis 1700 nm, insbesondere von 300 nm bis 1100 nm. Im Fall von gepulsten Lasern können durch eine geeignete Wahl von Pulsdauer und Pulsenergie gezielt Zwei-, Drei- oder Mehrphotonenabsorptionseffekte erreicht werden. Bei auf Einphotonen- Ab sorption beruhenden Lithographieverfahren mit Dauerstrichlasern bieten sich Diodenlaser mit Emissionswellenlängen zwischen 360 nm und 550 nm, also beispielsweise um 365 nm, 385 nm, 405 nm, 550 nm und 532 nm an. Zur Steigerung der Auflösung von Lithographie- Verfahr en kann mit geeigneten Photoinitiatoren das Prinzip der „Stimulated Emission Depletion“ (STED) in Anlehnung an entsprechende Mikroskopieverfahren genutzt werden. Darüber hinaus sind weitere Mikrostrukturierungsverfahren zur Herstellung des wellenleiterbasierten optischen Koppelelements denkbar, insbesondere Verfahren, die auf Material extrusion, pulverbettbasiertem Schmelzen (engl. powder-bed fusion), Material-Jetting, Binder-Jetting, selektivem Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen basieren können. Abhängig vom jeweils verwendeten Mikrostrukturierungsverfahren kann die Wellenleiterstruktur ein Polymer, insbesondere ein bevorzugt optisch additiv oder sub- traktiv strukturierbares Acrylat, Epoxidharz, oder ein Fluorpolymer, ein Metall oder ein metallbeschichtetes Dielektrikum umfassen.
In einer besonderen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße optische Wellenleiterbauelement so ausgestaltet sein, dass es eine effiziente Übertragung von Licht zwischen zwei optischen Bauteilen ermöglicht. In diesem Zusammenhang kann die Möglichkeit genutzt werden, in Anlehnung an das Konzept des „Photonic Wire Bonding“ während des Herstellungsprozesses zunächst die Position und Lage der zu verbindenden optischen Koppelstellen zu erfassen und dann eine daran angepasste Trajektorie für den Kern des optischen Wellenleiters und ggf. auch eine entsprechende Form der Führungsstruktur für das Mantelmaterial zu entwerfen. Die Trajektorie des Wellenleiterkerns wird dabei so gewählt, dass eine möglichst präzise Ankopplung an die optischen Koppelstellen der optischen Komponenten möglich wird, wobei die unerwünschten Abweichungen von der Position maximaler Koppeleffizienz bevorzugt bei unter 1 pm, besonders bevorzugt bei unter 500 nm und ganz besonders bevorzugt bei unter 200 nm oder 100 nm liegen.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der Anordnung sowie auf die Ausführungsbeispiele verweisen.
Vorteile der Erfindung
Die Vorteile der Erfindung liegen in der Möglichkeit, eine präzise definierbare lokale Überdeckung der optischen Wellenleiterstruktur zu erreichen und damit eine freie Anpassung des Brechungsindexkontrasts durch die Wahl geeigneter lokal eingebrachter Mantelmaterialien zu ermöglichen. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, dass nur eine einzelne Mode im Lichtwellenleiter geführt und damit eine effiziente Ankopplung an einmodige optische Komponenten möglich wird. Ferner können abschnittsweise unterschiedliche Anforderungen an den Brechungsindexkontrast gleichzeitig ermöglicht werden, indem dieser gezielt entlang der Ausbreitungsrichtung variiert wird. Ferner ermöglicht es die Erfindung, durchgehend einmodige Wellenleiterstrukturen mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des zugrundeliegenden Strukturierungsverfahrens herzustellen, indem beispielsweise durch ihre Orientierung bzgl. des auflösbaren Querschnittes beschränkte Wellenleiterabschnitte durch eine lokale Einbettung in ein Mantelmaterial mit hinreichend hohem Brechungsindex einmodig ausgestaltet werden. Dieser Vorteil ist beispielsweise für die Realisierung von wellenleiterbasierten Polarisationsstrahlteilern von großer Bedeutung, bei denen funktionell relevante Wellenleiterabschnitte mit hohem Indexkontrast parallel zum Schreibstrahl ausgerichtet und damit mit kleinen Querschnitten realisiert werden können.
Insbesondere ist es mit keiner aus dem Stand der Technik bekannten Führungsstruktur möglich, einen präzise definierbaren Bereich festzulegen, innerhalb dessen die optische Wellenleiterstruktur mit einem Mantelmaterial umgeben werden kann. In WO 2020/085083 Al erfolgt eine abschnittsweise Einbettung des Wellenleiterkerns in das Mantelmaterial, das unterschiedliche Brechungsindexkontraste aufweist. Allerdings wird dies durch eine direkte Strukturierung des Mantelmaterials erreicht, das als Teil der ebenfalls direkt strukturierten Kastenstruktur betrachtet werden kann und das aus einem lithographisch strukturierbaren Photoresist besteht. Nachteilig hieran ist, dass hierzu das Mantelmaterial selbst strukturiert werden muss, was insbesondere eine Auswahl an möglichen Mantelmaterialien stark einschränkt.
Darüber hinaus ermöglich es die Erfindung, durch eine entsprechende Ausgestaltung der Führungsstruktur die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise zu definieren. Damit wird es insbesondere möglich, den zum Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen unabdingbaren Mantelbereich so auszugestalten, dass er, abgesehen von einzelnen Verankerungspunkten, keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung wie z.B. anderen optischen Bauteilen oder Montageplatten („Submounts“) aufweisen kann, so dass auf den Mantelbereich wirkende Kräfte weitgehend minimiert und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung des Wellen- leiterkems vermieden werden können.
Weiterhin offenbart WO 2020/085083 Al keine Befüllung eines Raumbereiches zwischen einer vorstrukturierten Wellenleiterstruktur und einer Führungsstruktur. Vielmehr dient dort das Mantelmaterial als ein durch direkte lithographische Strukturierung erzeugtes festes Strukturelement; eine Befüllung eines Raumbereiches mit einem flüssigen Material erfolgt nicht. Eine in WO 2020/085083 Al verwendete Öffnung dient zur Entfernung eines nach dem Strukturierungsprozess verbleibenden Photoresists und wird anschließend wieder luftdicht mit einem Deckel verschlossen.
Durch einen optionalen Einsatz von Führungsstrukturen, Fluidstopps oder Auslasselementen kann ein Druck auf die Führungsstrukturen verringert und somit ein Überlaufen auf das Substrat verhindert werden. Durch die Verwendung von verschiedensten Freiform-Mikrostruk- turierungsverfahren zur Herstellung der mindestens einen optischen Wellenleiterstrukturen und der mindestens einen Führungsstruktur kann das optische Wellenleiterbauelement flexibel an die Gegebenheiten unterschiedlichster optischer Bauelemente angepasst und, falls erforderlich, um mechanisch stabilisierende Stützstrukturen erweitert werden. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, eine große Vielfalt an Mantelmaterialien für eine geometrisch präzise Einbettung von optischen Freiformwellenleitem zu verwenden, wobei das mindestens eine Mantelmaterial seinerseits nicht notwendigerweise durch ein Freiform-Mikrostruk- turierungsverfahren hochaufgelöst strukturierbar sein muss. Damit unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von US 2015/0078712 Al und WO 2019/165205 Al, die offenbaren, Wellenleiterstrukturen über die gesamte Länge des Mantelmaterials einzubetten, so dass hier kein mittels eines Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens hergestelltes Wellenleiterbauelement mit einer möglichst großen Vielfalt an lokal aufgebrachten und entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts variierenden Mantelmaterialien vorliegt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigen:
Figuren 1 und 2 jeweils ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements;
Figur 3 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das zwischen zwei optischen Komponenten angeordnet ist;
Figur 4 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das drei optische Wellenleiterstrukturen aufweist; Figur 5 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, umfassend drei optische Wellenleiterstrukturen, das zwischen zwei optischen Komponenten angeordnet ist und einen gemeinsamen Zuführungspunkt besitzt;
Figur 6 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements umfassend drei optische Wellenleiterstrukturen in geschlossener Ausführung, das zwischen zwei optischen Komponenten angeordnet ist und einen gemeinsamen Zuführungspunkt sowie ein Auslasselement besitzt;
Figur 7 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das eine Schutzstruktur aufweist;
Figur 8 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das eine optische Wellenleiterstruktur mit unterschiedlich ausgeführten Abschnitten aufweist;
Figuren 9 und 10 jeweils ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des optischen Wellenleiterbauelements gemäß Figur 1 vor dem Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials in perspektivischer Darstellung (Figur 9) und als Querschnitt (Figur 10);
Figur 11 eine Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Aufnahme des optischen Wellenleiterbauelements gemäß Figur 1 nach dem Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials in perspektivischer Ansicht;
Figuren 12 und 13 jeweils eine REM- Aufnahme des optischen Wellenleiterbauelements gemäß Figur 3 vor (Figur 12) bzw. nach (Figur 13) dem Einbringen des mindestens einen Mantelmaterials in Draufsicht; und
Figuren 14 und 15 jeweils eine REM- Aufnahme von drei optischen Wellenleiterbauelementen gemäß Figur 1 vor (Figur 14) bzw. nach (Figur 15) dem Einbringen des mindestens einen Mantelmaterials in perspektivischer Ansicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements. Die als Freiformstruktur dargestellte optische Wellenleiterstruktur 10 löst sich, ausgehend von einer optischen Koppelstelle 70 des sich auf einem optischen Substrat 110 befindlichen optischen Wellenleiters 120 nach oben ab und wird von einer sich in den Nähe befindenden Führungsstruktur 20 umgeben. Die optische Wellenleiterstruktur 10 ist in einem Bereich, in dem eine Ablösung der optischen Wellenleiterstruktur 10 von dem optischen Substrat 110 erfolgt, von der Führungsstruktur 20 umgeben, die es ermöglicht, wie in Figur 1 nur einen unteren Abschnitt 10a der optischen Wellenleiterstruktur 10 und das optische Substrat 110 oder wie in Figur 2 nur einen mittleren Abschnitt 10a der optischen Wellenleiterstruktur 10 mit einem Mantelmaterial 30 zu bedecken, während weitere Abschnitte 10b, 10c der optischen Wellenleiterstruktur 10 nicht von dem Mantelmaterial 30 umgeben sind. Damit wird es vorzugsweise möglich, den Brechungsindexkontrast in den unterschiedlichen Abschnitten 10a, 10b, 10c der optischen Wellenleiterstruktur 10 an die jeweiligen Anforderungen anzupassen und zu optimieren. Das flüssig oder fest eingebrachte Mantelmaterial 30 füllt einen Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 zumindest teilweise aus. Die gesamte Anordnung kann, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, ohne ein weiteres Mantelmaterial betrieben werden, um einen größtmöglichen Brechungsindexkontrast in den Wellenleiterabschnitten 10c und 10b zu ermöglichen. Alternativ kann die gesamte Struktur global von einem weiteren Mantelmaterial (nicht gezeigt) überdeckt sein, das sich im Brechungsindex vom Mantelmaterial 30 unterscheidet.
Wie Figur 2 zeigt, kann die Führungsstruktur 20 einerseits zusätzliche Stützstrukturen 20a, die insbesondere zur Stabilisierung der Führungsstruktur 20 eingerichtet sind, und andererseits Fluidstopps 60, die zur Füllung des Raumbereichs zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 bis zu einer vorgegebenen Stelle eingerichtet sind, aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Mantelmaterial 30 im flüssigen Zustand unter Ausnutzung von Kapillarkräften in den Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 eingebracht werden und dann selbständig aushärten oder, vorzugsweise durch ein optisches Verfahren oder ein thermisches Verfahren, ausgehärtet werden.
Figur 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das zwischen zwei optischen Komponenten 110a, 110b angeordnet ist. Hierin ist beispielhaft eine lokalisierte Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur 10 mittels des Mantelmaterials 30 dargestellt, das im Bereich der Koppelstellen 70a, 70b in direktem Kontakt mit den optischen Komponenten 110a, 110b steht. Die optische Wellenleiterstruktur 10 verbindet die beiden optischen Wellenleiter 120a, 120b der beiden optischen Komponenten 110a, 110b und wird von der Führungsstruktur 20, die entlang der Trajektorie der optische Wellenleiterstruktur 10 verläuft, zumindest teilweise umhüllt. Wie weiterhin dargestellt, können an beiden Enden Fluidstopps 60a, 60b eingesetzt werden, um eine unerwünschte Ausbreitung eines flüssigen Mantelmaterials 30 aus der Führungsstruktur 20 auf die Oberfläche der optischen Komponenten 110a, 110b zu vermeiden. Somit kann eine ungewünschte Überdeckung der übrigen Fläche des optischen Substrats 110 vermieden und nur der Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 gezielt ausgefüllt werden. Insbesondere zur Überbrückung von tiefen Spalten zwischen zwei auf dicken optischen Substraten 110 eingerichteten optischen Komponenten 110a, 110b ermöglicht die Führungsstruktur 20 weiterhin eine möglichst symmetrische Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur 10 mittels des aufgebrachten Mantelmaterials 30, das ansonsten nicht in der Nähe der optischen Wellenleiterstruktur 10 verbleiben würde. Mit Hilfe der Führungsstruktur 20 lässt sich die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise definieren. Damit wird es möglich, den Mantelbereich so auszugestalten, dass er abgesehen von den unvermeidlichen Verankerungen an den optischen Komponenten 110a, 110b keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung aufweist. Somit lassen sich die von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkenden Kräfte weitgehend minimieren und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung des Wellenleiterkerns vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Führungsstruktur 20 derart ausgestaltet, dass sich eine symmetrische Ummantelung der optischen Wellenleiterstruktur 10 durch das Mantelmaterial 30 ergibt, so dass auch innerhalb des Mantelmaterials 30 beispielsweise in Folge eines Aushärte- und eines damit verbundenen Schrumpfungsprozesses auftretende Kräfte weitgehend kompensieren, ohne die Wellenleiterstruktur 10 zu deformieren.
Die in den Figuren 1 bis 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsformen lassen sich in vielfältiger Hinsicht modifizieren. So bleibt in den Figuren 1 bis 3 ein Querschnitt der optischen Wellenleiterstruktur 10 entlang einer Propagationsrichtung erhalten. Abweichend davon ist es auch möglich, Form und/oder Größe des Querschnittes entlang der Trajektorie zu ändern und beispielsweise kontinuierlich von einer runden in eine elliptische, quadratische, rechteckige oder anderweitige Form zu überführen. Diese Form lässt sich insbesondere an die Querschnitte und die Modenfeldprofile der optischen Koppelstellen 70a, 70b der jeweils anzubindenden optischen Komponenten 110a, 110b anpassen, um auf diese Weise eine möglichst effiziente Kopplung zu erreichen. Weiterhin muss das Profil der Führungsstruktur 20 in Figur 3 nicht zwangsläufig über die gesamte Länge konstant bleiben, sondern kann sich entlang einer beliebigen Trajektorie zwischen den optischen Substraten 110 der beiden optischen Komponenten 110a, 110b ändern. Letztlich sind beliebige Formen und Geometrien zur Ausführung der Stützstrukturen 20a denkbar, die insbesondere an die Gegebenheiten der optischen Komponenten 110a, 110b angepasst werden können. In bevorzugten Ausführungsformen kann beispielsweise eine genaue Position der durch die optischen Wellenleiterstruktur 10 zu verbindenden optischen Komponenten 110a, 110b sowie deren optische Koppelstellen 70a, 70b nicht von vorne herein bekannt sein, sondern erst kurz vor dem Druckprozess durch geeignete Messverfahren ermittelt und dann zum Entwurf einer möglichst verlustarmen Wellenleitertrajektorie bzw. Wellenleitergeometrie der optischen Wellenleiterstruktur 10 herangezogen werden. Daher ist es nicht ohne weiteres möglich, vorab eine Struktur zu ermitteln, mit der sich eine symmetrische Ummantelung einer beliebigen optischen Wellenleiterstruktur 10, die als Freiformstruktur vorliegt, mit einem Mantelmaterial 30 erreichen lässt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann daher die Form der Führungsstruktur 20 von der Trajektorie der zu umhüllenden optischen Wellenleiterstruktur 10 abgeleitet werden. Wie in Figur 4 schematisch gezeigt, kann es in weiteren Ausführungsformen auch vorteilhaft sein, mehrere, zumindest abschnittsweise näherungsweise parallel verlaufende optische Wellenleiterstrukturen 11, 12, 13 mit einer gemeinsamen Führungsstruktur 20 zu umgeben, die zur präzisen Aufbringung eines gemeinsamen Mantelmaterials 30 eingerichtet ist.
Figur 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements, das zwischen zwei optischen Komponenten 110a, 110b angeordnet ist. Anhand dieser Darstellung lässt sich zudem auch das zugehörige Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterbauelements erläutern. In einem ersten Schritt werden die optischen Teilwellenl ei ter Struktur en 11, 12, 13, die gemeinsam die Wellenleiterstruktur 10 ausbilden, mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsver- fahrens hergestellt und dabei bevorzugt jeweils an Position und Orientierung der optischen Koppelstellen 70a, 70b, 70c der optischen Komponente 110a bzw. der optischen Koppelstellen 70d, 70e, 70f der optischen Komponente 110b angepasst. Hieran anschließend erfolgt eine Herstellung mindestens einer Teil Struktur 21, 22, 23, die gemeinsam die Führungsstruktur 20 ausbilden, in der Nähe des jeweiligen Teilwellenleiterstrukturen 11, 12, 13 mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens. Eine Einbringung des Mantelmaterials 30 kann an einem einzelnen Zuführungspunkt 100 erfolgen, der mittels einer Öffnung 101 zum Zuführungspunkt 100 die gezielte Verteilung des Mantelmaterials 30 erlaubt. Alternativ (nicht dargestellt) sind auch mehrere Zuführungspunkte 100 möglich. Über gemeinsame Zuführungsstrukturen 50 kann das flüssige Mantelmaterial 30 zu jeder Teil Struktur 21, 22, 23 der Führungsstruktur 20 transportiert werden, um somit eine möglichst symmetrische Umhüllung der zugehörigen optischen Wellenleiterstrukturen 11, 12, 13 zu erreichen. Die gemeinsamen Zuführungsstrukturen 50 dienen als Netzwerk zur festgelegten Verteilung des Mantelmaterials 30 auf den Raumbereich zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der Führungsstruktur 20 und erlauben es, das Aufbringen des Mantelmaterials 30 möglichst effizient zu gestalten. In der Ausführungsform gemäß Figur 5 sind die Führungsstruktur 20 und die gemeinsamen Zuführungsstrukturen 50 oben offen gestaltet. Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform, die eine nach außen räumlich abgeschlossene Führungsstruktur 20 und Zufuhrungsstrukturen 50 umfasst. Zusätzlich zu dem gemeinsamen Zuführungspunkt 100 können diese Strukturen auch über ein gemeinsames Auslasselement 80 verfügen, über dessen Öffnung 81 zum Auslasselement 80 überflüssiges Mantelmaterial 30 austreten kann. Insbesondere kann das Auslasselement 80 beim Befüllen eines geschlossenen Raumbereichs die Funktion eines Überdruckventils übernehmen. Im Allgemeinen kann das Mantelmaterial 30 im flüssigen Zustand belassen oder optional nach dem Befüllen der Führungsstruktur 20 ausgehärtet und damit die im Material eingebettete mindestens eine optische Wellenleiterstruktur 10 zusätzlich stabilisiert werden, beispielsweise gegen äußere mechanische Einflüsse oder Umwelteinflüsse.
Figur 7 zeigt beispielhaft, wie die mehrere Abschnitte lOd, lOe, lOf, 10g umfassende optische Wellenleiterstruktur 10 im Abschnitt lOd vor einer ungewollten Einbettung durch das Mantelmaterial 30 geschützt werden kann. Dies kann, wie Figur 7 verdeutlicht, z.B. im Falle einer Wellenleiterverzweigung eines Polarisationsstrahlteilers sinnvoll sein, für die im Abschnitt lOd ein im Vergleich zu den übrigen Abschnitten lOe, lOf, 10g lokal erhöhter Brechungsindexkontrast besonders vorteilhaft ist. Zu diesem Zweck wird hier um den Abschnitt lOd eine Schutz Struktur 20b als Teil der Führungsstruktur 20 angebracht, die einen geschützten Raumbereich 35 erzeugt, der nicht von dem Mantelmaterial 30 gefüllt wird. Die anderen Teile der Führungsstruktur 20 umschließen hier weiterhin die gesamte Anordnung, insbesondere auch die Schutzstruktur 20b derart, dass bei der Befüllung mit dem Mantelmaterial 30 nur die Abschnitte lOe, lOf, 10g umschlossen werden.
Figur 7 zeigt weiterhin beispielhaft, wie eine durchgehend einmodige Struktur mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kem und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens hergestellt werden kann. Bei dem zur Herstellung verwendeten Lithographieverfahren findet eine Polymerisationsreaktion in einem einen Fokuspunkt 310 eines Lithographiestrahls 300 umgebenden Raumbereich 320, einem sog. Voxel, statt, der eine entlang einer Strahlachse 330 ausgedehnte, von der numerischen Apertur des jeweils verwendeten Objektivs abhängige ellipsoidale Form aufweist. Bei Zweiphotonenlithographie mit einer häufig verwendeten Lithographie- Wellenlänge von 780 nm und einer numerischen Apertur (NA) von 1,4 liegt die entlang der Strahlachse 330 des Lithographiestrahls 300 gemessene Länge <7i des Voxels typischerweise zwischen 1 pm und 2 pm, während die senkrecht dazu gemessene Breite d typischerweise weniger als 500 nm beträgt. Gleichzeitig liegt bei einem im Abschnitt lOd der Wellenleiterstruktur 10 von Luft (Brechungsindex 1,0) umgebenen Wellenleiterkem mit einer Betriebswellenlänge von 1,5 pm, einem Brechungsindex von 1,5 und einer runden Quer- schnittsfläche die Grenze zur Mehrmodigkeit bei einem Radius von ca. 500 nm. Die einmo- dige Ausgestaltung des von Luft umgebenen Abschnitts 1 Od der Wellenleiterstruktur 10 wird dadurch möglich, dass dessen Achse 340d im Wesentlichen parallel zur Strahlachse 330 des Lithographiestrahls 300 orientiert ist. Die Formulierung „im Wesentlichen parallel“ bezieht sich hierbei auf Fälle, bei denen die lokale Richtung der Achse 340d der Wellenleiterstruktur mit der Strahlachse 330 einen Winkel von bevorzugt weniger als 45°, besonders bevorzugt weniger als 30°, und ganz besonders bevorzugt weniger als 25° oder 20° einschließt. Für die Abschnitte lOe, lOf der Wellenleiterstruktur 10, deren Achsen 340e, 340f lokal senkrecht oder in einem großen Winkel zum Lithographiestrahl orientiert sind, kann die Einmodigkeit nur durch eine lokale Einbettung in das hochbrechendes Mantelmaterial 30 erreicht werden.
In Figur 8 ist beispielhaft dargestellt, wie sich verschiedene Mantelmaterialien 30a, 30b für verschiedene Abschnitte lOi, lOj der optischen Wellenleiterstruktur 10 zur lokalen Überdeckung einsetzen lassen. Die als Freiformstruktur erzeugte optische Wellenleiterstruktur 10 löst sich, ausgehend von der optischen Koppelstelle 70a an einem dem optischen Substrat 110 zugeordneten optischen Wellenleiter 120a nach oben ab und wird in der Nähe des Abschnitts lOi von einer ersten Teilstruktur 21 der Führungsstruktur 20 umgeben. Die optische Wellenleiterstruktur 10 folgt einer beliebigen Trajektorie, bevor sie über die, sich nicht notwendigerweise auf demselben optischen Substrat 110 befindliche weitere optische Koppelstelle 70b erneut mit einem optischen Wellenleiter 120b verbunden wird. Der weitere Abschnitt lOj der optischen Wellenleiterstruktur 10 wird von einer weiteren Teilstruktur 22 der Führungsstruktur 20 umhüllt. Durch das Einbringen zweier unterschiedlicher Mantelmaterialien 30a, 30b kann in den beiden Abschnitten lOi, lOj der optischen Wellenleiterstruktur 10 innerhalb der jeweiligen Teilstrukturen 21, 22 der Führungsstruktur 20 ein unterschiedlicher Brechungsindexkontrast erzielt werden. Ein mittlerer Abschnitt 10h wird in diesem Ausführungsbeispiel nicht von dem Mantelmaterial 30 bedeckt - damit kann im Bereich des stark gekrümmten Wellenleiterabschnittes 10h ein hoher Indexkontrast erzielt werden, der beispielsweise die Lichtausbreitung in Form eines sog. „Flüster-Galerie-Modus“ (engl. „Whis- pering-Gallery-Mode“) erlaubt.
Die Figuren 9 bis 15 zeigen drei bevorzugte Beispiele, welche die Funktionsfähigkeit der vorliegenden Erfindung belegen.
Ein erstes Beispiel, welches sich auf das optische Wellenleiterbauelement gemäß Figur 1 bezieht, ist in den Figuren 9 bis 11 dargestellt. Hierbei zeigen die Figuren 9 und 10 jeweils ein bevorzugtes Beispiel des optischen Wellenleiterbauelements gemäß Figur 1 vor dem Einbringen des Mantelmaterials 30 in perspektivischer Darstellung (Figur 9) und als Quer- schnitt (Figur 10), während Figur 11 eine REM- Aufnahme nach dem Einbringen des Mantelmaterials 30 in perspektivischer Ansicht zeigt. Die durch Multiphotonenlithographie als Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erzeugte optische Wellenleiterstruktur 10 verbindet den planar integrierten optischen Wellenleiter 120 auf dem Substrat 110 einer optischen Komponente über die optische Koppelstelle 70 mit einer, mit demselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erzeugten optischen Linse 200, welche über Stützfüße 20c ausgerichtet wird. Das optische Wellenleiterbauelement umfasst ferner die Führungsstruktur 20, die ebenfalls mit dem genannten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt wurde. Zur lokalen Brechungsindexanpassung im unteren Bereich der optische Wellenleiterstruktur 10 wird das flüssig eingefüllte Mantelmaterial 30 aufgebracht, welches die Wellenleiterstruktur 10 umschließt, ohne die refraktive Fläche 210 der optischen Linse 200 zu überdecken. Die Führungsstruktur 20 dient hierbei der Zuführung des Mantelmaterials 30, welches über eine Öffnung 25 in der Führungsstruktur 20 unter Ausnutzung des Kapillareffekts in diese eindringen und bis zu einer durch den Fluidstopp 60 festgelegten Höhe ausfüllen kann. Somit ist eine lokale Überdeckung der optischen Wellenleiterstruktur 10 möglich, ohne die angrenzende optische Komponente, hier die angrenzende optische Linse 200, zu umhüllen und damit die Brechkraft an der refraktiven Fläche 210 der optischen Line 200 herabzusetzen.
Ein zweites Beispiel, welches sich auf das optische Wellenleiterbauelement gemäß Figur 3 bezieht, ist in den Figuren 12 und 13 dargestellt. Hierbei zeigen die Figuren 12 und 13 jeweils eine REM-Aufnahme des optischen Wellenleiterbauelements gemäß Figur 3 vor (Figur 12) bzw. nach (Figur 13) dem Einbringen des Mantelmaterials 30 in Draufsicht. Hierbei werden die beiden optische Komponenten 110a, 110b mit der mittels eines Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren erzeugten optischen Wellenleiterstruktur 10 verbunden, die von dem Mantelmaterial 30 lokal symmetrisch umgeben ist. Die Form und Trajektorie der optischen Wellenleiterstruktur 10 ist hierbei möglichst gut an die Position und Orientierung der optischen Koppelstellen 70a, 70b der optischen Wellenleiter 120a, 120b, die sich auf den jeweiligen optischen Komponenten 110a, 110b befinden, angepasst. Die dreidimensionale Geometrie der Führungsstruktur 20 wird aus der dreidimensionalen Trajektorie der optischen Wellenleiterstruktur 10 abgeleitet und an einer Seite durch Stützstrukturen 20a an der optischen Komponente 110a verankert. Damit wird es mit Hilfe der Führungsstruktur 20 möglich, die Form und Ausdehnung des Mantelbereichs in lateraler Richtung präzise zu definieren und ihn so auszugestalten, dass er abgesehen von unvermeidlichen Verankerungspunkten an den optischen Komponenten 110a, 110b keinen Kontakt zu anderen Elementen der Anordnung wie z.B. anderen optischen Bauteilen oder Montageplatten („Submounts“) aufweist. Dies führt dazu, dass die von anderen Elementen auf den Mantelbereich wirkenden Kräfte weitgehend minimiert und eine aus diesen Kräften resultierende Deformation oder Zerstörung der Wellenleiterstruktur 10 vermieden wird. Das flüssig eingefüllte Mantelmaterial 30 kann im Anschluss aushärten oder ausgehärtet werden und umschließt die optische Wellenleiterstruktur 10 entlang der gesamten Trajektorie nahezu symmetrisch, trotz möglicher vorhandener Spalten zwischen den optischen Komponenten 110a, 110b. Das Drucken sowohl der optischen Wellenleiterstruktur 10 als auch der Führungsstruktur 20 einschließlich der Stützstrukturen 20a und des Fluidstopps 60 erfolgte in diesem Beispiel mittels di- rektschreib ender Mehrphotonenlithographi e .
Ein drittes Beispiel, welches sich auf das optische Wellenleiterbauelement gemäß Figur 1 bzw. Figur 7 bezieht, ist in den Figuren 14 und 15 dargestellt. Hierbei zeigen die Figuren 14 und 15 jeweils eine REM- Aufnahme von drei optischen Wellenleiterbauelementen gemäß Figur 1 vor (Figur 14) bzw. nach (Figur 15) dem Einbringen des Mantelmaterials 30. Hierbei umfasst jede optische Wellenleiterstruktur 10 die drei Abschnitte 10b, 10c, lOd die für eine möglichst optimale Funktion einen unterschiedlichen Brechungsindexkontrast zwischen der optischen Wellenleiterstruktur 10 und der jeweiligen Umgebung erfordern. Hierzu sind die beiden in den Abschnitten 10b, 10c befindlichen Zuführungsbereiche der optischen Wellenleiterstruktur 10 von dem Mantelmaterial 30 umgeben, während der sich in Abschnitt lOd befindliche Polarisationsstrahlteiler einen höheren Indexkontrast aufweisen soll und sich daher idealerweise in Luft befindet. Die die Abschnitte 10b, 10c umgebende Führungsstruktur 20 dient gleichzeitig der Zuführung des Mantelmaterials 30, welches über Öffnungen 25 in der Führungsstruktur 20 in den Raumbereich zwischen der Führungsstruktur 20 und der optischen Wellenleiterstruktur 10 eindringen und den Raumbereich bis zu einer durch die Fluidstopps 60 festgelegten Höhe ausfüllen kann. Somit ist in jedem optischen Wellenleiterbauelement eine lokale Überdeckung der beiden Abschnitte 10b, 10c möglich, während weder der als Polarisationsstrahlteiler ausgelegte Abschnitt lOd der optischen Wellenleiterstruktur 10 noch die daran angeschlossene, in Form einer optischen Linse 200 vorliegende optische Komponente von dem Mantelmaterial 30 umhüllt sind. Das Drucken der Wellenleiterstruktur 10, der Führungsstruktur 20 einschließlich der Fluidstopps 60 sowie der optischen Linse 200 einschließlich der Stützfüße 20c erfolgte in diesem Beispiel mittels dir ektschreib ender Mehrphotonenlithographie. Dabei ist die in Figur 7 gezeigten Strahlachse 330 des Lithogra- phiestrahls 300 senkrecht zur Oberfläche des optischen Substrats 110 und damit im Wesentlichen parallel zur Achse der optischen Wellenleiterstruktur in Abschnitt lOd orientiert, so dass trotz einem entlang der Strahlachse 330 des Lithographiestrahls 300 verlängerten Voxels eine hochauflösende Strukturierung der Wellenleiterstruktur im Abschnitt lOd möglich wird. Damit wird es möglich, die gezeigte Struktur durchgehend einmodig mit lokal hohem Indexkontrast zwischen Kern und Mantel auch unter den Einschränkungen einer richtungsabhängigen Auflösung des Strukturierungsverfahrens herzustellen. Aus Gründen der Über- sichtlichkeit beziehen sich die in den Figuren 14 und 15 angegebenen Bezugszeichen lediglich auf das dort dargestellte mittlere optische Wellenleiterbauelement, können jedoch in analoger Weise auf die beiden anderen optischen Wellenleiterbauelemente übertragen werden.
Bezugszeichenliste

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Wellenleiterbauelement, umfassend
- mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13), die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, und die mindestens einen ersten Abschnitt (10a, lOe, lOf, 10g, lOi, lOj), der von mindestens einem Mantelmaterial (30) umgeben ist, aufweist;
- mindestens eine Führungsstruktur (20), die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe des mindestens einen ersten Abschnitts (10a, lOe, lOf, 10g, lOi, lOj); und
- das mindestens eine Mantelmaterial (30), das einen Raumbereich zwischen dem mindestens einen ersten Abschnitt (10a, lOe, lOf, 10g, lOi, lOj) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) zumindest teilweise ausfüllt, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) einen Bereich festlegt, innerhalb dessen der mindestens eine erste Abschnitt (10a, lOe, lOf, 10g, lOi, lOj) von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist, und wobei mindestens ein zweiter Abschnitt (10b, 10c, lOd, 10h) der optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) oder mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) angrenzende optische Komponente (200) nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist.
2. Optisches Wellenleiterbauelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das mindestens eine Mantelmaterial (30) eine Material ab sorption von höchstens 5 dB/mm bei einer Betriebswellenlänge des Wellenleiterbauelements aufweist.
3. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) nicht unmittelbar an die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) angrenzt.
4. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste dreidimensionale Freiformstruktur mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens und/oder die zweite dreidimensionale Freiformstruktur mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens hergestellt ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) angrenzende optische Komponente (200), die nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist, mit demselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren wie die erste dreidimensionale Freiformstruktur hergestellt ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) und/oder das mindestens eine Mantelmaterial (30) zur mechanischen Stabilisierung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) eingerichtet sind. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Mantelmaterial (30) nicht hochaufgelöst strukturierbar ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13)
- mindestens zwei Abschnitte (lOi, lOj) aufweist, die von unterschiedlichen Mantelmaterialien (30a, 30b) umgeben sind; oder
- symmetrisch von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens ein optisches Substrat (110), wobei zumindest die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) und/oder die mindestens eine Führungsstruktur (20) auf dem mindestens einen optischen Substrat (110) aufgebracht ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (20), abgesehen von der Verankerung mit dem mindestens einen optischen Substrat (110), nicht an ein anders Element des optischen Wellenleiterbauelements angrenzt. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine optische Wellenleiterstruktur (10) mindestens einen ausgezeichneten Wellenleiterabschnitt (lOd) aufweist, in dem der Wellenleiterkem nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben ist, und wobei eine Achse (340 d) des mindestens einen ausgezeichneten Wellenleiterabschnitts (lOd) im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des optischen Substrats (110) angeordnet ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das optische Wellenleiterbauelement für eine durchgehend einmodige Lichtführung entlang der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) eingerichtet ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) ferner
- mindestens eine Stützstruktur (20a) umfasst, die zur mechanischen Fixierung der mindestens einen Führungsstruktur (20) eingerichtet ist; und/oder
- mindestens einen Fluidstopp (60) umfasst, der zur Begrenzung des mindestens einen Mantelmaterials (30) auf einen Teilbereich des Raumbereichs zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) eingerichtet ist. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (20) mindestens zwei Teilstrukturen (21, 22) aufweist, und wobei eine gemeinsame Zuführungsstruktur (50) vorliegt, die dazu eingerichtet ist, den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) und den mindestens zwei Teilstrukturen (21, 22) über einen gemeinsamen Zuführungspunkt (100) zu befüllen. Optisches Wellenleiterbauelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die gemeinsame Zuführungsstruktur (50) mit einem Auslasselement (80) verbunden ist, das dazu eingerichtet ist, einen Druck des mindestens einen flüssigen Mantelmaterials (30) in der mindestens einen Zuführungs Struktur (20) zu begrenzen. Optisches Wellenleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das optische Wellenleiterbauelement
- ein optisches Koppelelement ist oder umfasst, wobei das optische Koppelelement dazu eingerichtet ist, Licht zwischen zwei optischen Komponenten (110a, 110b, 200) oder zwischen einer optischen Komponente (110a, 200) und einem Freistrahlabschnitt zu übertragen, und/oder
- ein Polarisationsstrahlteiler ist oder umfasst. Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterbauelements, insbesondere eines optischen Wellenleiterbauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: a) Herstellen mindestens einer optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13), die in Form einer ersten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, mittels eines ersten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens; b) Herstellen mindestens einer Führungsstruktur (20), die in Form einer zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur ausgestaltet ist, in der Nähe der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) mittels eines zweiten Freiform-Mikrostrukturierungsverfahrens; und c) Einbringen mindestens eines Mantelmaterials (30) in einen Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) derart, dass mindestens ein erster Abschnitt (10a, lOe, lOf, 10g, lOi, lOj) der optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben wird, wobei die mindestens eine Führungsstruktur (20) einen Bereich festlegt, innerhalb dessen der mindestens eine erste Abschnitt (10a, lOe, lOf, 10g, lOi, lOj) von dem Mantelmaterial (30) umgeben wird, und dass mindestens ein zweiter Abschnitt (10b, 10c, lOd, 10h) der optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) oder mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) angrenzende optische Komponente (200) nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben wird. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das erste Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren und das zweite Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren identisch sind und/oder gemeinsam ausgeführt werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei die mindestens eine an die optische Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) angrenzende optische Komponente (200), die nicht von dem mindestens einen Mantelmaterial (30) umgeben wird, mit demselben Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren wie die erste dreidimensionale Freiformstruktur hergestellt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das erste Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren und/oder das zweite Freiform-Mikrostrukturierungsverfahren ein Lithographieverfahren ist, ausgewählt aus Stereolithographie, insbesondere mittels Flächenlichtmodulatoren, oder aus direktschreibender Laserlithographie, insbesondere Mehrphotonenpolymerisation. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei eine dreidimensionale Geometrie der zweiten dreidimensionalen Freiformstruktur der mindestens einen Führungsstruktur (20) aus einer dreidimensionalen Trajektorie der ersten dreidimensionalen Freiformstruktur der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) abgeleitet ist und/oder entlang einer Ausbreitungsrichtung der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) mit variabler Querschnittsfläche erzeugt wird.
22. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das mindestens eine Mantelmaterial (30) zu einem Zeitpunkt des Einbringens flüssig ist und anschließend aushärtet oder ausgehärtet wird.
23. Verfahren nach dem vorangehenden Verfahrensanspruch, wobei das Einbringen des mindestens einen flüssigen Mantelmaterials (30) in den Raumbereich zwischen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) und der mindestens einen Führungsstruktur (20) mittels Kapillarkräften erfolgt, die zwischen dem mindestens einen flüssigen Mantelmaterial (30) und der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) oder der mindestens einen Führungsstruktur (20) wirken.
24. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei mindestens eine Schutzstruktur (20b) als Teil der mindestens einen Führungsstruktur (20) derart um einen von dem mindestens einen eingebrachten Mantelmaterial (30) zu schützenden Bereich auf einem Abschnitt (lOd) der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) eingebracht wird, dass ein geschützter Raumbereich (35) entsteht, in dem kein Einbringen des mindestens eines Mantelmaterials (30) erfolgt.
25. Verfahren nach dem vorangehenden Verfahrensanspruch, wobei die Achse des mindestens einen Wellenleiterabschnitts (lOd) im Wesentlichen parallel zur Achse (330) eines Lithographiestrahls (300) orientiert ist, welcher zum Herstellen der mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10, 11, 12, 13) eingesetzt wird.
26. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das mindestens eine Mantelmaterial (30) mittels eines Dispensierverfahrens zwischen der mindestens einen Führungsstruktur (20) und der als Wellenleiterkern ausgestalteten mindestens einen optischen Wellenleiterstruktur (10) eingebracht wird.
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