Verfahren zur Herstellung optischer Polymer- bauelemente mit integrierten vertikalen Koppel¬ strukturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Ober¬ begriff des Hauptanspruches und findet Anwendung bei der massenweisen Produktion von monomodigen oder multimodigen Bauelementen, insbesondere bei opto-optischen Bauelementen, der integrierten Optik mit monolithisch integrierter Faser-Chip-Kopplung.
Der zunehmende Einsatz integriert-optischer Kompo¬ nenten für die optische Nachrichtentechnik, für die Sensorik und den Computerbereich (optischer Daten¬ bus) läßt der optischen Anschlußtechnik (Chip- Faser-Kopplung) und der optischen Koppeltechnik eine immer größere Bedeutung zukommen. Bereits kleinere private Vermittlungsstellen mit etwa 1.000 Teilnehmeranschlüssen benötigen dabei beispielswei¬ se mehrere tausend optische Anschlüsse und Koppel¬ stellen zwischen den einzelnen Subschaltstufen, da Anzahl und Komplexität der auf einzelnen Substraten
integrierten optischen Komponenten aufgrund der extremen Aspektverhältnisse in der Optik stark ein¬ geschränkt ist. In solchen Anwendungsfällen be¬ stimmt die Realisierbarkeit und Zuverlässigkeit (mechanische und thermische Stabilität) der opti¬ schen Anschluß- und Koppeltechnik und der erforder¬ liche Anschlußaufwand letztlich den erreichbaren Ausbaugrad eines optischen Vermittlungssystems.
Die grundsätzliche Funktionsweise vertikaler Richt- koppler, bei denen zwei übereinanderliegende Licht¬ wellenleiter über eine definierte Länge einander so nahe kommen, daß eine Kopplung zwischen ihnen stattfindet und Energie ausgetauscht werden kann, ist bekannt. Üblicherweise werden solche Bauelemen¬ te in übereinander aufgeschichtete, dünne Filme (Filmwellenleiter) strukturiert, wobei die zwischen den Wellenleitern liegende Schicht durch ihre opti¬ sche Dicke die Koppelstärke der Wellenleiter be¬ stimmt. Die Homogenität dieser Zwischenschicht ist damit kritisch für die Funktionsweise solcher Bau¬ elemente und technologisch schwer beherrschbar. Ferner ist bisher weder eine εelbstjustierende op¬ tische Anschlußtechnik für solche auf verschiedenen Höhen liegende Wellenleiter noch eine spritzguß- technische Massenproduzierbarkeit solcher Bauele¬ mente möglich.
Bei bekannten Parallelstreifenkopplern müssen übli¬ cherweise koplanare Wellenleiter im Koppelbereich mit wenigen μm lateralem Abstand über einige hun¬ dert μm Koppellänge präzise nebeneinander her ge¬ führt werden. Solche Strukturen sind spritzgußtech¬ nisch schwierig zu realisieren, da sehr schmale Stege zwischen Grabenstrukturen für die Wellenlei¬ ter zu fertigen wären.
Von H. Hosokawa et al., in Integrated Photonics Research Conf., (1991) sind sogenannte Präge¬ techniken für monomodige Lichtwellenleiter in Kunststoffen ("embossing" oder Photopolymerisation) bekannt. Jedoch ist weder eine übereinanderliegende Anordnung von Wellenleiterkoppelstrukturen noch die gleichzeitige Herstellung einer substratintegrier¬ ten Faserführung in dieser Technik möglich.
Weiterhin sind von A. Neyer et al., in Integrated Photonics Research Conf., (1992) bekannt, Wellen- leiterstrukturen in einem Substrat abzuformen und diese dann mit einem, einen höheren Brechungεindex aufweisenden lichtführenden Polymer zu füllen. Hierbei können lediglich nur einseitig in einer Substratschicht Wellenleiter geschaffen werden, je¬ doch eine übereinanderliegende Anordnung von Wellenleiterkoppelstrukturen ist ausgeschlossen.
Darüber hinaus ist das Prinzip der galvanischen Abformtechnik und Spritzgußvervielfältigung von MikroStrukturen als sogen. "LIGA"-Technik bekannt. Hier werden die abzuformenden Primärstrukturen üblicherweise durch Röntgenbelichtung von Kunst¬ stoffen am Synchotron erzeugt und davon galvanisch die Formeinsätze für den Spritzguß erstellt. Eine abwechselnde Anordnung von höherliegenden und tieferliegenden Faserführungsstrukturen, wie sie für vertikale Koppelelemente notwendig werden, ist nach dem derzeitigen Stand in der LIGA-Technik nicht möglich, da die notwendige Röntgenbelichtung prinzipiell keine Tiefenauflösung ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren nach den Kennzeichen des Hauptanspruches bietet demgegenüber den Vor¬ teil, daß eine massenhafte Produktion von Polymer¬ bauelementen mit integrierten vertikalen Koppel- strukturen mit hoher Koppelgenauigkeit in einfacher Weise möglich ist.
Hierbei können nach vorliegender Erfindung sowohl passive als auch optooptisch-aktive oder akusto- optische Bauelemente der Integrierten Optik mit monolithisch integrierter Faser-Chip-Kopplung aε- senproduzierbar gefertigt werden.
Dazu ist vorgesehen, daß auf der Substratplatte und der Deckelplatte jeweils wenigstens eine Struktur zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters und jeweils wenigstens zwei Faserführungsstrukturen sowie je¬ weils wenigstens zwei Justagestrukturen derart her¬ gestellt werden, daß sowohl die Substratplatte als auch die Deckelplatte Faserführungsstrukturen be¬ sitzen, denen nach der Montage, gegenüberliegend in der Substratplatte bzw. Deckelplatte die Justage¬ strukturen zugeordnet sind und die die Faser¬ führungsstrukturen verbindenden Lichtwellenleiter¬ strukturen der Substratplatte und der Deckelplatte in wenigstens einem Bereich parallel zueinander verlaufen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den in den Unteransprüchen angegebenen Ma߬ nahmen.
In einfacher Weise werden durch bekannte anisotrope Ätztechniken des Siliciums V-förmige Graben¬ strukturen in {100} orientierte Wafer, die die Substratplatte und die Deckelplatte ergeben, geätzt, wobei sich eine hochpräzise Struktur er¬ gibt, über die die spätere genaue Lage von Glasfaser- und Wellenleiterstruktur zueinander de¬ finiert ist.
Eine solche V-Nut ist als Faserführungsstruktur und Justagestruktur besonders geeignet, da die Winkel- justage, parallel zur Kristalloberflache, sich automatisch einstellt und über die Öffnungsweite der V-Nut sich die Höhenlage des Faserkerns über die Waferoberflache exakt einstellen und ferti¬ gungstechnisch kontrollieren läßt.
In vorteilhafter Weise werden die V-Nuten mit poly eren Materialien aufgefüllt und die ent¬ standene ebene Oberfläche anschließend mit einem Photolack oder einem anderen strukturierbaren Poly¬ mer beschichtet. In die so entstandene Deckschicht werden grabenförmige Öffnungen strukturiert, die die Abmessungen der späteren Lichtwellenleiter definieren.
Weiterhin werden die V-Nuten anschließend mittels an sich bekannter Excimer-Laserablationstechnik wieder geöffnet und in besonders vorteilhafter Wei¬ se senkrechte Faserstrukturanschläge am lichtwel- lenleiterseitigen Ende der V-Nuten geschnitten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Er¬ findung ist vorgesehen, daß die Masterstrukturen aus Lichtwellenleiter-Vorstrukturen und integrier¬ ten Faserführungsstrukturen sowie Justagestrukturen durch an sich bekannte Galvanikverfahren abgeformt werden.
Die so entstandene Negativfo wird zur Herstellung zahlreicher Tochterkopien der Masterstruktur verwendet. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch Spritzguß- oder Spritzprägeverfahren im Polymer¬ material.
Erfindungsgemäß werden die grabenförmigen, später die Lichtwellenleiter ergebenden Öffnungen, so strukturiert, daß sie jeweils zwei sich in der Substratplatte bzw. Deckelplatte gegenüberliegende Faserführungsstrukturen verbinden, wobei sie wenigstens einen Bereich aufweisen, in dem die Öffnung für den substratplattenseitigen Licht¬ wellenleiter nach der Montage vertikal beabstandet, parallel zu der Öffnung für den deckelplatten- seitigen Lichtwellenleiter verläuft.
Durch den intrinsischen Aufbau des Bauelements mit vertikalen Kopplerstrukturen anstelle koplanar nebeneinanderliegender Koppelarme (die übliche Aus¬ bildungsform von Richtkoppelbauelementen) ist es insbesondere möglich, unterschiedliche Materialien in die unteren und die oberen, die Lichtwellenlei¬ ter ergebenden Öffnungen einzufüllen. Dadurch kön¬ nen beispielsweise unerwünschte Dämpfungsverluste eines besonderen opto-optisch aktiven Materials in
der anderen optischen Verbindungsebene vermieden werden oder durch unterschiedliche opto-optisch schaltfähige Substanzen getrennte Schalteffekte durch Steuerlichtstrahlen unterschiedlicher Wellen¬ längen unten und oben (polymere Substratplatte und polymere Deckelplatte) erreicht werden. Prinzipiell kann das Steuerlicht dazu auch in dem selben Lichtwellenleiter (Faser) geführt werden wie das zu schaltende Signallicht.
In vorteilhafter Weise ist ein Verfahren zum massenproduktionstauglichen Aufbau verschiedener Polymerbauelemente mit vertikalen Koppelstrukturen, welche sowohl für passive Bauelemente, wie bei¬ spielsweise 2x2-Richtkoppler oder Sternkoppler/Lei- stungsteiler in Betracht kommen, wie auch für optisch-gesteuerte optische Schaltelemente mit zweilagige optischem Aufbau vorgeschlagen worden. Besonders vorteilhaft ist die chipintegrierte gleichzeitige Herstellung von Faserführungs¬ strukturen für eine selbstjustierende optische Kontaktierung der Koppelbauelemente auf zwei ver¬ schiedenen Ebenen.
Ferner ist die selbstjustierende Justagetechnik bei der Montage der Bauelemente vorteilhaft, bei der nicht nur die Fasern passiv an die Licht¬ wellenleiter justiert werden, sondern auch die polymeren Deckel- und Bodenplatten (Substrat¬ platten) zueinander paßgenau "einrasten". Durch die vertikale Anordnung der Lichtwellenleiter kann der Koppelabstand aller Bauelemente eines Chips tech¬ nologisch einfach beherrschbar durch die Dicke der eingearbeiteten Polymerfolie kontrolliert werden.
Die freie Kombinierbarkeit verschiedener Core- Polymere in der unteren und der oberen Ebene des Bauelements kann zu vielfältigen Anwendungen genutzt werden, indem beispielsweise mindestens eines der Polymere mit X (3)-Materialien dotiert wird, um optische Schaltfunktionen zu erzielen.
Weiterhin vorteilhaft kann die eingelegte Polymer¬ folie selbst auch eine Schaltfunktion bewirken, indem akustooptiεche Effekte, beispielsweise in einer piezoelektrischen Folie (PVDF-Folie) , zu einer Anpassung der Ausbreitungεkonεtanten des Lichtes in unterschiedlich dimensionierten Licht¬ wellenleitern unten und oben führen und so ein durch akustiεche Phononenabεorption induziertes Um¬ schaltverhalten der Koppler auεlösen.
Zeichnung
Auεführungεbeiεpiele der Erfindung εind in den Zeichnungen dargeεtellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt einer Masterstruktur für eine Faserführungεstruktur;
Figur 2 eine Seitenansicht gemäß Figur 1;
Figur 3 eine Negativform für eine Faserführungs- εtruktur;
Figur 4 eine Seitenansicht gemäß Figur 3;
Figur 5 einen Ausschnitt aus einem polymeren Bau¬ element, hergeεtellt mit einer, der in den Figuren 3 und 4 dargeεtellten Negativform;
Figur 6 eine Seitenansicht gemäß Figur 5;
Figur 7 eine Projektionsdraufεicht auf ein komplettes polymeres Bauelement;
Figur 8 einen Schnitt entlang der Linie A - A aus Figur 7;
Figur 9 einen Schnitt entlang der Linie B - B aus Figur 7;
Figur 10 einen Schnitt entlang der Linie C - C aus Figur 7;
Figur 11 eine Koppelεtruktur im Detail;
Figur 12 eine Projektionsdraufsieht auf ein weiteres polymereε Bauelement und
Figur 13 eine Projektionsdraufsicht auf ein weiteres polymeres Bauelement.
Beschreibung der Ausführungsbeiεpiele
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Master- struktur soll beispielhaft die integrierte Faser- Chip-Kopplung eines polymeren Bauelements 10 ver¬ deutlichen. Tatsächlich sind auf jedem polymeren Bauelement eine Vielzahl von Faser-Chip-Kopplungen
angeordnet. Die Faser-Chip-Kopplung ist jedoch wesentliche Voraussetzung für die später beschrie¬ bene eigentliche vertikale Koppelstruktur.
Die Masterstruktur - hier substratplattenseitig dargestellt - besteht aus einem Siliciumsubstrat 12, in das zur Aufnahme einer hier nicht dar¬ gestellten Glasfaser eine Faserführungsstruktur 14 (Positioniergraben) mit V-förmigem Querschnitt anisotrop eingeätzt wird.
Durch die an sich bekannten anisotropen Ätz¬ techniken des Siliciu s können V-förmige Graben- strukturen in den {100} orientierten Wafer geätzt werden, wobei sich die Tiefe dieser Gräben abhängig von der Weite einer rechteckför igen Öffnung w in der Ätzmaske parallel zur <110>-Richtung einstellt. Die sich auεbildenden geneigten {lll}-Seitenflachen bilden dabei einen durch die aniεotropen Ätz¬ eigenschaften des Kriεtalls definierten, natür¬ lichen Ätzstop. Eine solche V-Nut ist als Faser¬ führungsstruktur 14 besonders geeignet, da die Winkeljustage (parallel zur Kristalloberfläche) sich automatisch einεtellt und über die Öffnungs¬ weite der V-Nut sich die Höhenlage ό des Faserkerns über der Waferoberflache exakt einstellen und fertigungstechnisch kontrollieren läßt.
Für die spätere Höhenlage des Faserkerns gilt folgende Beziehung:
R w = . — — tan c
2 cosc 2
mit R = Faεermanteldurchmesser (typ. 125 μm) , oC = Neigungswinkel der {lll}-Flächen gegen die Wafer- oberfläche (c = 54.7356°), w = Weite der V-Nut an der Waferoberflache. Eine Änderung von _\ w = 1 μm resultiert in einer Änderung der Höhenlage A( = 0.7 μm.
Nach Ätzen der V-Nuten in Silicium werden diese mit polymeren Materialien 16 planariεiert (eben aufge¬ füllt) , so daß eine ebene Oberfläche 18 für die anschließende Beschichtung mit Photolack oder einem anderen strukturierbaren Polymer 20 entsteht. In diese Deckschicht 20 der Dicke ε werden graben- förmige Öffnungen 22 mit typischen Abmessungen von 6 μm x 6 μm Querεchnittsflache (= Strukturbreite x Schichtdicke ε) strukturiert, welche die Abmes¬ sungen der späteren Lichtwellenleiter definieren (die Höhenlage des Faserkerns über der Waferober- flache müßte in diesem Beiεpiel σ = 3 μm betragen, damit die optiεchen Achsen von Lichtwellenleiter und Glaεfaser miteinander fluchten) .
Anschließend werden die Faserführungεεtrukturen 14, vorzugsweise mittels Excimer-Laserablationstechnik, teilweise wieder geöffnet und dabei ein senkrechter Faseranschlag 24 am lichtwellenleiterseitigen Ende der V-Nut geschnitten. Diese Technik ermöglicht eine Führung der Lichtwellenleiter in den Öffnungen 22 über die schrägen Endflächen der V-Nuten hinaus zu einem senkrecht geschnittenen Anschlag, so daß Lichtleitfaser (Glasfaεer) und Lichtwellenleiter direkt auf Stoß miteinander gekoppelt werden kön¬ nen.
Die laterale Justage der an die Fasern anschließen¬ den Lichtwellenleiter kann durch übliche Techniken der Photolithographie mit ausreichender Präziεion erreicht werden.
Gemäß der Figuren 3 und 4 wird dieεe Maεterεtruktur aus Lichtwellenleiter-Vorεtrukturen (Öffnung 22) und integrierten Faεerführungsstrukturen 14 auf Silicium durch gängige Galvanikverfahren abgeformt, εo daß eine Negativform 26, beiεpielsweise aus Nickel, entεteht. Die Negativform 26 besitzt einen Bereich 28, der die Faserführungsεtruktur 14 und einen Bereich 30, der die Öffnung 22 nachbildet. Durch Spritzguß- oder Spritzprägeverfahren können mit dieser Negativform 26 zahlreiche Tochterkopien der Masterstruktur in Polymermaterial (z.B. PMMA oder Polycarbonat) hergestellt werden.
Im Beispiel ist, wie bereits erwähnt, nur eine Faserführungεεtruktur 14 einer polymeren Subεtrat- platte näher erläutert worden. Daε fertige polymere Bauelement 10 besitzt jedoch eine Vielzahl von Faserführungsstrukturen 14 und später die Licht¬ wellenleiter ergebenden Öffnungen 22. Weiterhin be¬ sitzt daε Bauelement 10 eine polymere Deckelplatte 34, in der ebenfallε Faεerführungsεtrukturen 14 und Öffnungen 22 angeordnet sind. Ebenfalls beεitzen sowohl die polymere Substratplatte 32 als auch die polymere Deckelplatte 34 Justageεtrukturen 36. Die Juεtagestrukturen 36 εind nach der Montage genau einer Faserführungsεtruktur 14 gegenüberliegend an¬ geordnet.
Die Justagestrukturen 36 werden auf die gleiche, bereits beschriebene Weise wie die Faser¬ führungsstrukturen 14, vorzugsweise V-förmig, an¬ isotrop eingeätzt.
Es wird jeweils eine komplette Masterstruktur für eine polymere Substratplatte 32 und eine polymere Deckelplatte 34 angefertigt. Daε Layout, also die Lage von Faserführungεstrukturen 14, Justage¬ strukturen 36 und Öffnungen 22 richtet sich nach dem späteren Aufbau des kompletten polymeren Bauelementε 10.
In den Figuren 5 und 6 ist eine Faser-Chip- Koppelstelle 38 eines fertigen polymeren Bau¬ elements 10 komplett gezeigt.
Die Koppelstelle 38 besteht aus einer, in der Substratplatte 32 angeordneten Faserführungs¬ struktur 14 sowie einem, in die Öffnungen 22 ein¬ gefüllten Lichtwellenleiter 40. Der Faserführungs¬ struktur 14 ist in der Deckelplatte 34 eine Justagestruktur 36 zugeordnet. Zwischen Deckel¬ platte 34 und Substratplatte 32 ist eine optische Pufferfolie 42 vorgesehen. In der, sich bei auf¬ gelegter Deckelplatte 34 ergebenden Aussparung 44 liegt, hier nicht dargestellt, die Glasfaser und fluchtet mit ihrer optischen Achse, dadurch, daß die Faserführungsstruktur 14 tiefer ausgebildet ist als die Justagestruktur 36, mit der optischen Achse des in der Substratplatte 32 angeordneten Licht¬ wellenleiters 40. Auf Einzelheiten der Tiefenaus¬ bildung der Strukturen 14 und 36 und der Stärke der Pufferfolie 42 wird weiter unten eingegangen.
In Figur 7 ist ein als 2x2 Richtkoppler ausgebildetes polymeres Bauelement 10 in einer Projektionεdraufsicht gezeigt.
Polymere Substratplatte 32 und Deckelplatte 34 (hier nicht dargestellt) weiεen für εich Faεer- führungsstrukturen 14 (V-Nuten) Juεtagestrukturen 36 und Wellenleiter-Vorstrukturen (Öffnungen 22) auf, εo daß bei der übereinanderliegenden Montage vertikale Koppelstrukturen 45 entstehen, die in übereinanderliegenden Bereichen der Lichtwellen¬ leiter 40, 46 nur noch über die Dicke einer dazwischengelegten Polymerfolie (Pufferfolie 42) geeigneter optischer Eigenschaften getrennt sind.
In der Figur 7 liegen die Lichtwellenleiter 40 in der polymeren Subεtratplatte 32 (unten) . Die zugehörigen Faserführungsstrukturen 14 (V-Gräben) sind in der Aufεicht etwaε breiter, damit die (damit tieferliegenden) Glaεfaεerachεen fluchtend mit den optiεchen Achεen der zugehörigen Licht¬ wellenleiter 40 zu liegen kommen. Die Pufferfolie 42 kommt über die Lichtwellenleiter 40 der Subεtratplatte 32 zu liegen. Die Lichtwellenleiter 4.6 (die eigentlich an der Unterseite der polymeren Deckelplatte 34 liegen) kommen dann in einem montierten Bauelement 10, wie beispielhaft gezeich¬ net, in Position. Die schmäleren V-Gräben in der Substratplatte 32 bilden die Justagestrukturen 36 der in der Deckelplatte 34 in den Faser- führungεεtrukturen 14 zu halternden Glasfasern und dienen damit gleichzeitig einer Justage von Deckelplatte 34 und Substratplatte 32 zueinander. Der Koppelabstand (Foliendicke der Pufferfolie 42)
und die effektive Koppellänge Leff (abhängig vom detaillierten Layout eines Kopplers) eines solchen passiven Richtkopplers beεtimmen, ob beispielsweise das Licht aus dem untenliegenden Lichtwellenleiter 40 vollεtändig in den obenliegenden Lichtwellen¬ leiter 46 überkoppelt, oder in einem feεtgelegten Verhältniε zwischen beiden Lichtwellenleitern 40, 46 aufgeteilt wird.
Der genaue Aufbau des Bauelements 10 wird anhand der in den Figuren 8 bis 10 gezeigten Querschnitte der Linien A - A, B - B, C - C erklärt.
Figur 8 zeigt einen Schnitt durch den Bereich der Faserführungεεtrukturen 14 und der Justagestruk¬ turen 36 mit eingelegten Glasfasern 50.
Typiεche Werte für Glaεfasern 50 betragen R = 125 μm für den Fasermanteldurchmesser und r = 9 μm für den Felddurchmesser eines Glaεfaserkerns 52. Die
Glaεfaεern 50 εind lateral in einem Raεtermaß a
(typiεch 250 μm) angeordnet, wobei die Glaεfaεern
50 paßgenau zu den optische Achsen der durch sie jeweils zu kontaktierenden Lichtwellenleiter 40, 46 in Substratplatte 32 bzw. Deckelplatte 34 liegen.
Dies setzt bei einer angenommenen Tiefe ε der
Lichtwellenleiter 40, 46 einen vertikalen Versatz um d + 2 (s/2) = d + s vorauε (d iεt der durch die
Dicke der Pufferfolie 42 beεtimmte Abεtand zwiεchen
Substratplatte 32 und Deckelplatte 34) . Die Tiefen der polymeren Führungsεtrukturen t± und t2
(Faserführungsstruktur 14 bzw. Justagestruktur 36) ergeben sich hier auε der Tiefe der jeweiligen in
Silicium geätzten V-Nut plus der Dicke ε der polymeren Deckschicht (Photolack) auf der Master¬ struktur, in welche die Öffnungen 22 strukturiert wurden (entspricht der Tiefe der Lichtwellenleiter 40, 46) . Nachdem die Masterstruktur galvanisch abgeformt und spritzgegoεεen wurde, iεt in den PolymerStrukturen der Figur 7 natürlich eine Unter¬ scheidung zwischen ursprünglicher Si-Oberflache 18 und Polymerdeckschicht 20 nicht mehr möglich - zur Verdeutlichung wurde deswegen hierfür jeweils eine gestrichelte waagerechte Hilfslinie eingezeichnet.
Die Weiten der in die Silicium-Masterstrukturen zu ätzenden V-Nuten w^ für die Faserführungεεtrukturen
14 und w2 für die jeweiligen V-förmige Juεtage- εtrukturen 36 auf der gegenüberliegenden Polymer¬ platte εind in dieεem Beiεpiel leicht zu berechnen:
R 2 <Ti
. εinc tane^
Im genannten Beispiel folgt wx = 148.8 μm (für < ι = 3 μm) und w2 = 126.2 μm (für cT2 = d + 3/2 ε = 19 μm) .
In den Figuren 9 und 10 εind Querεchnitte durch daε Richtkoppelbauelement 10 der Figur 7 gezeichnet, wobei die Figur 9 den Schnitt (B - B) kurz hinter der Faserkoppelstelle zeigt und die jeweils mit ihren optischen Achsen fluchtende Stoßkopplung der Glasfasern an die abwechselnd in Substrat- bzw. Deckelplatte liegenden Lichtwellenleiter verdeut¬ licht.
In Figur 10 iεt der Schnitt (C - C) durch die Mitte des Koppelbereichs 45 gelegt, in dem die Licht¬ wellenleiter 40, 46 genau übereinander zu liegen kommen und der Koppelabεtand nur über die Dicke d der Pufferfolie 42 beεtimmt iεt. Wichtig ist hier die genaue Justage der Lichtwellenleiter 40, 46 zueinander, welche durch die V-förmigen Führungen (Faεerführungεεtruktur 14 und Juεtagestruktur 36) in Deckelplatte 34 und Substratplatte 32 und die darin eingelegten Glasfasen 50 erfolgt, da die V- förmigen Strukturen jeweils zwei definierte Auf¬ lagepunkte an den runden Glaεfaεern 50 einnehmen können (εpielfrei) . Die Führungen sind durch die photolithographische Herstellung lateral mit Sub- mikrometergenauigkeit hinreichend genau positio¬ nierbar. Bei der Montage der Bauelemente 10 werden die Glasfasern 50 in ihre Faserführungsεtruktur 14 eingelegt und dann vernetzbare Präpolymere (core- Polymer) in die Lichtleitergräben (Öffnungen 22) der Subεtratplatte 32, die somit die Lichtwellen¬ leiter 40 ergeben, eingefüllt, die Pufferfolie 42 aufgelegt und die ebenfalls mit Präpolymer auf¬ gefüllte Deckelplatte 34 von oben aufgedrückt. Überstehendes Präpolymer wird durch diese Montage¬ technik weggedrückt und sorgt nach εeiner Ver¬ netzung für eine flächige Verbindung. In Abhängig¬ keit von der Viskoεität deε Präpolymerε muß eventuell eine dünne, flächige Reεtεchichtdicke desεelben bei der Feεtlegung der Foliendicke der Pufferfolie mit eingerechnet werden.
Eine einfache Abschätzung zeigt, daß der Koppelab¬ stand k (gerechnet zwiεchen Lichtwellenleiter¬ mitten) variiert mitΛk = (d + ε)2 + Δ y2 •
Mit den Daten auε dem obigen Beiεpiel ergeben εich aus einer lateralen Fehljustierung der Licht¬ wellenleiter von Λ Y = 4μm (und unter Annahme radialsymmetrischer optische Felder) Änderungen des Koppelabstandes \ k & 0.5 μm.
Zur vereinfachten Montage muß die Polymerfolie 42 nicht unbedingt paßgenau bis an die Lichtwellen¬ leiterenden der Lichtwellenleiter 40, 46 geführt werden. Wegen der εehr geringen Indexunterschiede von Wellenleitercore und Subεtrat/Folie εind die Austrittsaperturwinkel an den Lichtwellenleiter¬ enden sehr klein (ähnlich denjenigen der Monomodefasern) . Da das Präpolymer wie eine Indexflüsεigkeit die Felder bis an die Glasfaεer- endflache führt, kann der eigentliche Lichtwellen¬ leiter 40, 46 εchon in Abεtänden von etwa 20-50 μm vor dem Glaεfaεerende bei tolerierbar kleinen Koppelverluεten enden. Damit sind Toleranzen der Folienabmessungen in Lichtwellenleiterrichtung in dieser Größenordnung zulässig.
In Figur 11 iεt ein Koppelbereich 45 im Schnitt näher gezeigt.
Die Querschnittsabmeεεungen der Lichtwellenleiter- Grabenstrukturen (Öffnungen 22) sind so zu di¬ mensionieren, daß abhängig von der zu führenden Lichtwellenlänge einerseits monomodige Lichtführung möglich ist und andererεeitε die radialsymmetriεche Feldverteilung der Glasfaser 50 möglichst gut angenähert wird, um hohe Koppelwirkungsgrade zu er¬ zielen. Dazu muß der Brechungsindex des lichtfüh¬ renden Polymers (Wellenleitercore) in den Öffnungen
22 geringfügig höher liegen als die Brechungs- indiceε von Subεtratplatte 32, Deckelplatte 34 und
Pufferfolie 42. Typiεche Querschnittsabmessungen für Monomode-Bauelemente bei^= 1300 nm betragen 6 μm x 6 μm bei einem Indexunterschied ncore n Substrat 0,003. Entεprechend der Figur 11 können die Flanken der Lichtwellenleiter 40, 46 vor¬ teilhaft um einen Winkel 70° ^<90° geneigt εein, um eine leichtere Entformung beim Spritzguß zu er¬ möglichen (trapezförmiger Querschnitt) . Die opti¬ male Dicke für eine optische Pufferfolie 42 ist stark von deren Brechungεindex abhängig. Für einen angenommenen Brechungsindex, ähnlich dem des Substrates im obigen Beispiel, könnte die Dicke dann beispielsweiεe 10 μm betragen (die optimale Auslegung der Richtkopplerstrukturen muß im Einzel¬ fall an die Feldverteilungen und Koppelabstände angepaßt werden) .
In Figur 12 iεt in Projektionsdraufsicht am Beispiel eines 1 x 8 Leistungsteilers ein weiteres polymeres Bauelement 10 gezeigt. Das Bauelement beεitzt Eingänge 1 biε 8 und Auεgänge 1 bis 8, die jeweils durch Lichtwellenleiter 40, 46 miteinander verbunden εind.
Wie in Figur 7 iεt eine Aufsicht auf die Subεtrat¬ platte 32 mit ihren Lichtwellenleitern 40 und Faεerführungεεtrukturen 14 dargestellt. Darüberlie- gend ist die Pufferfolie 42 und die gedachte Lage der in der Deckelplatte 34 liegenden Lichtwellen¬ leiter 46 eingezeichnet. Ferner εind zur verein¬ fachten Darεtellung die einzelnen S-förmigen Licht¬ wellenleiterbiegungen an den Ein- und Ausgängen
eines jeden Koppelbereiches 45 nur εchematisch, je¬ weils durch eine schräge Verbindung, repräsentiert. Es ist gezeigt, wie beispielsweise abwechselnde Lichtwellenleiter 40, 46 aus der oberen und der unteren Ebene (Substratplatte 32, Deckelplatte 34) miteinander gekoppelt werden können, um eine optische Signalaufteilung eines Eingangs (z.B. Eingang Nr. 5) auf die Ausgänge 1 bis 8 zu erreichen. Im gezeichneten Beiεpiel betrüge die Signalleiεtung (bei Vernachlässigung von Verlusten) 1/16 der Eingangsleiεtung an den Auεgängen 1, 2, 7, 8 und 3/16 der Eingangεleiεtung an den Auεgängen 3, 4, 5, 6.
In Figur 13 iεt ein weiteres Ausführungεbeiεpiel, daε einen optiεch-geεteuerten optiεchen Schalter zeigt, dargeεtellt. Beiεpielhaft wird hier die Schaltfunktion anhand eines optiεchen Bypaεε- Schalterε beεchrieben, εinngemäße Erweiterungen deε Schaltprinzipε bis hin zu Schaltmatrizen für Ver¬ mittlungsfunktionen εind möglich.
Zur prinzipiellen Herεtellung und zum Aufbau wird auf die bereitε zu den anderen Beiεpielen gemachten Erläuterungen verwieεen.
Im Normalzuεtand wird daε einfallende Signallicht von Eingang 1 auf die Photodiode (PD) am Auεgang 1 geführt und das Licht eines lokalen Sendelaserε (LD) über den Eingang 3 auf den Ausgang 3 geleitet (Eingang 4 ist unbelegt) . Dazu wird auf beiden Lichtpfaden jeweilε ein Richtkoppler 45 im "bar"- Zustand durchlaufen, d.h. das Licht koppelt aus dem unteren Lichtwellenleiter 40 nicht in den oberen
Lichtwellenleiter 46 über. Dies wird durch eine gezielte Verεtimmung GIB) der Ausbreitungskonstanten (ß ) im oberen Lichtwellenleiter 46 mit einer op- tisch-induzierten Brechungsindexänderung im oberen Lichtwellenleiter 46 erreicht: Hierfür kann dieser beispielεweise ein nichtlinear-optisches (3)- Poly er enthalten, welches durch ein zusätzlich eingestrahltes Steuerlichtεignal εeinen Brechungs¬ index geringfügig absenkt. Wird das Steuer¬ lichtsignal ausgeεchaltet, verεchwindet die Index¬ absenkung und die Richtkoppler 45 werden jeweils in den "croεε"-Zuεtand umgeschaltet, d.h. das Ein- gangεεignallicht geht auf den Auεgang 3 und das Licht deε Sendelaεerε in den unbelegten Auεgang 2 (Senke) . Dieεe Schaltfunktion wäre beiεpielεweiεe sinnvoll bei Störung (Spannungsauεfall) einer Teilneh erstation, bei der dann diese Station εolange überbrückt würde, biε der Steuerlichtεtrahl wieder eingeschaltet wird. Das Steuerlicht kann lokal in der Empfangsstation erzeugt werden (beispielεweiεe durch eine direkt an den optiεchen Polymerchip angekoppelte SLD) oder über eine Faεer über das lokale Netz herangeführt werden (optischer "remote"-Schalter) .
Während normalerweiεe die (3)-Nichtlinearitäten sehr klein sind und unakzeptabel hohe Steuer¬ lichtleistungen erfordern würden, liefern sogenannte cis/tranε-Nichtlinearitäten (Molekül¬ strukturänderungen) ausreichend εtarke Brechungs- indexänderungen von ünto 0.0008 schon bei Licht¬ leistungen von wenigen a- m Watt, allerdings in der
Regel auf Kosten der Schaltgeschwindigkeiten. Beispielsweise können "Methylrot-Derivate" in Präpolymeren (z.B. optische Epoxiden) gelöst werden und so in die Lichtleitergräben (Öffnungen 22) als core-material eingefüllt und vernetzt werden. Geεchaltet wird hier mit "rotem" Licht im Wellen¬ längenbereich 600-700 nm. Für die Steuerlichtquelle kann (anderε alε für die teuren Sendelaser bei 1300 nm bzw. 1550 nm) eine billige, breitbandige rote Laεerdiode oder εogar eine einfache Super- lumineszenεdiode (SLD) verwendet werden, wenn nur genügend Lichtleiεtung (einige mW) in den Licht¬ wellenleiter 46 eingekoppelt werden kann. Da die Lichtwellenleiter 46 beiεpielεweiεe für 1550 nm monomodig dimenεioniert εind, εind die εelben Lichtwellenleiter 46 für 600-700 nm Wellenlänge mehrmodig, was die Lichteinkopplung aus der Steuerlichtquelle wesentlich vereinfacht. Zugleich klingen die evaneεzenten Felder der kürzeren Wellenlänge erheblich εchneller über die Dicke der Pufferfolie 42 ab , so daß praktisch kein Steuer¬ licht in die untenliegenden Nachrichtenkanäle (Lichtwellenleiter 40) überkoppelt, während das langwellige Licht den Koppler je nach Schaltzustand im cross- oder im bar-Zuεtand durchlaufen kann.
Die genannten Schaltfunktionen εind je nach Auslegung der Richtkoppler 45 und die gewünschte Systemanwendung sinngemäß auch so anzuwenden, daß ein Umschalten der Richtkoppler 45 von cross nach bar (oder umgekehrt) durch Einschalten der Steuerlichtquelle erfolgt - die zugehörigen Schalt- geεchwindigkeiten bekannter ^(3)-Materialien sind beim Einschaltvorgang höher.