DE4207207A1

DE4207207A1 - Integriert-optischer wellenleiter mit faserfuehrungsstrukturen hergestellt mit hilfe von abformtechniken in polymeren materialien

Info

Publication number: DE4207207A1
Application number: DE19924207207
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Ing Neyer
Original assignee: Microparts Gesellschaft fuer Mikrostrukturtechnik mbH
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-03-07
Filing date: 1992-03-07
Publication date: 1993-09-09

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung integriert- optischer Wellenleiter sowie die simultane Herstellung integriert-optischer Wellenleiter und mikromechanischer Komponenten zur Faserführung aus polymeren Werkstoffen mit Hilfe von Abformtechniken.

Integriert-optische und mikromechanische Komponenten für die Nachrichtentechnik und die Sensorik sind bereits in großer Vielfalt hergestellt und untersucht worden. Dabei wurden integriert-optische Wellenleiter auf den unterschiedlichsten Substratmaterialien wie z. B. Glas, Silizium, LiNbO₃, GaAs und InP mit Technologien wie z. B. dem Ionenaustausch, der Diffusion, der Plasmaabscheidung und dem epitaktischen Aufwachsen hergestellt, während mikromechanische Bauelemente zur Faserführung im wesentlichen durch Vorzugsätzen in Silizium gefertigt wurden.

Kommerziell erhältlich sind inzwischen integriert- optische Bauelemente aus LiNbO₃, Glas, und aus SiO₂ auf Silizium, wobei die verkauften Stückzahlen auf Grund der hohen Preise allerdings recht klein sind. Hauptgründe für die relativ großen Fertigungskosten sind zum einen die Investitionskosten für die aufwendige Reinraum- Prozeßtechnik und zum anderen die zeit- und damit lohnintensive Ankopplung von Glasfasern und Glasfaserarrays an die integriert-optischen Bauelemente. So wie die Ankopplung von Glasfasern an Laserdioden durch eine aktive Justage und anschließende Fixierung geschieht, so wird auch die konventionelle Kopplung von Fasern an stirnflächen-polierte bzw. gebrochene integriert-optische Bauelemente eine aktive Justage wegen der geringen Toleranzen von weniger als einem Mikrometer kaum umgehen können und damit auch bei einer zunehmenden Automatisierung nach wie vor ein stark kostenverursachender Faktor bleiben.

Versuche einer gleichzeitigen Herstellung von hochpräzisen Faserführungsstrukturen und Wellenleitern sind in der Glastechnologie durch Prägen (P. Barlier et.al. "Passive Integrated Optics Components for Fiber Optics Communication in Moldable Glass", Technical Digest of the IOOC-ECOC 85, Venezia 1985, S. 187-190), in der "High-Silica"- Technologie durch Ätzen von Gräben (Y. Yamada et. al., "Optical-Fibre Coupling to High-Silica Channel Waveguides with Fibre-Guiding Grooves", Electron. Lett., vol 20 (1984), S. 313-314) und in der SiON-auf-Si- Technologie durch Ätzen von V-Nuten (K. E. Petersen, "Silicon as mechanical material", Proc. IEEE, vol. 70 (1982), S. 420 ) durchgeführt worden, konnten sich wegen technischer Schwierigkeiten, aufwendiger Herstellung und nicht ausreichender Präzision bisher jedoch nicht durchsetzen. Weiterhin sind Verfahren bekannt, Faserführungsstrukturen mit Hilfe eines Eximer-Lasers in transparente Platten zu schneiden, Fasern einzulegen und den Freiraum mit einem geeigneten Gießharz auszufüllen (Europäische Patentanmeldung EP 04 02 797 /A2). Diese Lösung beinhaltet jedoch keine integriert-optischen Wellenleiter als verlustarme Verbindung zwischen den Fasern. Um eine Verbindungstechnik von Fasern und integriert-optischen Bauteilen geht es in der Patentanmeldung EP 03 24 492 A2, wobei die Faserführungsstrukturen und die Wellenleiter durch Mehrfachbeschichtungen, Belichtungen und Ätzungen in photosensitiven Polymermaterialien hergestellt werden. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig in der Herstellung und beinhaltet keine Abformtechnik.

Die Herstellung von integriert-optischen Wellenleitern in Polymeren ist bereits mit den verschiedensten Techniken gelungen (R. Dorn et al., "Polymere in der Integrierten Optik", Fachausschußbericht Nr. 74 der Glastechnischen Gesellschaft e.V., Frankfurt, Januar 1992, S. 44-58), wobei jedoch keine Abformtechniken eingesetzt werden. Die Firma OMRON verwendet zur Herstellung polymerer Wellenleiterstrukturen galvanisierte Nickelformen, wobei diese in aufgeschleuderte Filme von Präpolymeren gedrückt werden, die während der Andrückzeit durch UV-Licht aushärten (H. Hosokawa et al., "Simultaneous fabrication of grating couplers and an optical waveguide by photopolymerization", OSA 1990 Technical Digest Series Volume 5, Integrated Photonics Research, Hilton Head, South Carolina (1990), paper MF6). Nachteile dieses Verfahrens sind, daß keine massenproduktionstauglichen Abformverfahren - wie z. B. das Spritzgießen - zur Herstellung der Wellenleiterstrukturen eingesetzt werden können, daß die Wellenleiter nach ihrer Herstellung keine schützende Deckplatte erhalten und daß eine gleichzeitige Herstellung von Faserführungsstrukturen zusammen mit den Wellenleitern mit dieser Technik nicht möglich ist, da die nicht ausgehärtete Präpolymerschicht nicht in der erforderlichen Schichtdicke von ca. 100 Mikrometer aufgebracht werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren anzugeben, welches die Herstellung von integriert-optischen Wellenleiterstrukturen sowie die gleichzeitige Herstellung integriert-optischer Wellenleiterstrukturen und mikromechanischer Faserführungsstrukturen erlaubt, einfach anzuwenden ist und die beim Stand der Technik angeführten Nachteile nicht besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Herstellung integriert-optischer Wellenleiter sowie die gleichzeitige Herstellung von integriert-optischen Wellenleiterstrukturen und mikromechanischen Faserführungsstrukturen mit polymeren Materialien und massenproduktionstauglichen Abformtechniken durchgeführt wird.

Der schematische Ablauf des Herstellungsverfahrens ist in Fig. 1 dargestellt.

Grundlage des Verfahrens ist das mikromechanisch hergestellte Formteil 11, welches die Wellenleiterstruktur 12 und die Faserführungstruktur 13 enthält, wobei beide Strukturen in hochpräziser Weise zueinander angeordnet sind. Dieses Formteil, welches z. B. durch Galvanoabformung aus Nickel hergestellt werden kann, dient als Negativform, die mit Hilfe von Abformverfahren wie z. B. dem Gießen und Spritzgießen mit polymeren Werkstoffen (z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC)) auf einfache Weise in großen Stückzahlen als Positivform vervielfältigt werden kann. Diese Positivform 21 enthält die Wellenleiterstruktur 22 und die Faserführungsstruktur 23 als Vertiefungen. Die lichtleitende Funktion des integriert-optischen Wellenleiters wird nun dadurch erreicht, daß die abgeformten zur Wellenleitung bestimmten Vertiefungen mit einem Material 31 gefüllt werden, welches einen höheren Brechungsindex als das des strukturierten Substrates 32 besitzt. Als besonders vorteilhaft zur Wellenleiterherstellung erweisen sich flüssige transparente Präpolymere wie z. B. UV-aushärtende Kleber für optische Anwendungen, die in die Wellenleitervertiefungen eingefüllt werden, dann mit einer Deckplatte 33 versehen und anschließend ausgehärtet werden. Ein Vorteil solcher "vergrabener" Wellenleiter ist der ausgezeichnete Schutz gegen mechanische und chemische Beanspruchungen. Bei Testversuchen wurden strukturierte Substrate aus PMMA mit Hilfe der Spritzgußtechnik hergestellt. Die Wellenleitergräben wurden mit höherbrechenden UV-aushärtenden Klebern aufgefüllt, mit einer Deckplatte aus PMMA abgeschlossen und anschließend ausgehärtet. Die hergestellten einmodigen Streifenwellenleiter zeigten bei 1300 nm Wellenlänge eine Dämpfung von ca. 0,8 dB/cm Ein weiterer wichtiger Vorteil bei der Verwendung flüssiger Präpolymere zum Auffüllen der Wellenleitergräben besteht darin, daß die in die Führungsstrukturen eingelegten Fasern 34 gleichzeitig mit dem Einfüllen des Wellenleiterpräpolymers von diesem umflossen werden und nach dem Aushärten in ihrer Position fixiert sind. Weiterhin trägt das Andrücken der Fasern vor und während der Polymerisation der Präpolymere mit dem Deckel 33 zu einer erhöhten Positioniergenauigkeit der Fasern bei. Außerdem bewirkt das ausgehärtete Polymer auf der Faserstirnfläche eine Reduzierung der Lichtreflexionsverluste im Vergleich mit einem Faser-Luft Übergang.

Neben der kostengünstigen Herstellung fasergekoppelter integriert-optischer Komponenten bietet die angegebene Erfindung auch noch große Vorteile hinsichtlich der Flexibilität der eingesetzten polymeren Werkstoffe und ihrer Kombinationen und zwar sowohl in Bezug auf die Substrat- als auch auf die Wellenleitermaterialien. So können neben Polymeren zur Herstellung passiver optischer Komponenten auch elektrooptische, thermooptische, akustooptische, magnetooptische und optisch nichtlineare Polymere eingefüllt werden zur Realisierung von Bauelementen, die auf dem elektrooptischen, thermooptischen, akustooptischen oder magnetooptischen Effekt basieren oder nichtlineare optische Effekte ausnutzen.

Claims

1. Optischer Wellenleiter enthaltend mindestens eine Wellenleiter struktur in Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß diese Struktur in Form von Vertiefungen mit Hilfe von Abformtechniken in ein polymeres Substrat übertragen wurde und diese Vertiefungen mit Wirkstoffen gefüllt sind, die eine höhere Brechzahl besitzen als das Substrat.

2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat, das die mit Wellenleitermaterial gefüllten Vertie fungen enthält, eine Deckplatte aufweist, die eine niedrigere Brech zahl als das Wellenleitermaterial besitzt.

3. Integriert-optischer Wellenleiter enthaltend mindestens eine Wellenleiterstruktur und mindestens eine Faserführungsstruktur in Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß diese Strukturen mit Hilfe von Abformtechniken in einem polymeren Material erstellt worden sind.

4. Integriert-optischer Wellenleiter enthaltend Wellenleiterstruk turen und Faserführungsstrukturen in Polymeren, dadurch gekennzeich net, daß die Wellenleiterstrukturen und die Faserführungsstrukturen in Form von Vertiefungen mit Hilfe von Abformtechniken in ein polymeres Substrat übertragen wurden und die die Wellenleiterstruk turen formenden Vertiefungen mit Wirkstoffen gefüllt sind, die eine höhere Brechzahl besitzen als das Substrat.

5. Integriert-optischer Wellenleiter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial, das die mit Wellenleitermaterial gefüllten Vertiefungen enthält, eine Deckplatte aufweist, die eine niedrigere Brechzahl aufweist als das Substrat.

6. Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter enthaltend Wellenleiterstrukturen in Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterstrukturen in Form von Vertiefungen mit Hilfe von Abformtechniken in ein polymeres Substrat übertragen werden und diese Vertiefungen mit Wirkstoffen gefüllt werden, die eine höhere Brechzahl besitzen als das Substrat.

7. Verfahren zur Herstellung integriert-optischer Wellenleiter enthaltend Wellenleiterstrukturen und Faserführungsstrukturen in Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterstrukturen und die Faserführungsstrukturen in Form von Vertiefungen mit Hilfe von Abformtechniken in polymere Substrate übertragen werden, und die die Wellenleiterstrukturen formenden Vertiefungen mit Wirkstoffen gefüllt werden, die eine höhere Brechzahl besitzen als das Substrat.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß nach dem Füllen der Vertiefungen das Substratmaterial mit einer Deckplatte versehen wird, die eine niedrigere Brechzahl als das Wellenleitermaterial besitzt.

9. Verfahren zur Herstellung integriert-optischer Wellenleiter mit angekoppelten Lichtleitfasern, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verfahren nach Anspruch 7 die Vertiefungen für die Faserführungen und die Vertiefungen für die Wellenleiterstruktur gleichzeitig in einem Abformvorgang hergestellt werden und daß die Ankopplung der Fasern an die integriert-optischen Wellenleiter durch Einlegen der Fasern in die Vertiefungen für die Faserführung geschieht.

10. Verfahren zur Herstellung integriert-optischer Wellenleiter mit angekoppelten Lichtleitfasern, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verfahren nach Anspruch 8 die Vertiefungen für die Faserführung und die Vertiefungen für die Wellenleiterstruktur gleichzeitig in einem Abformvorgang hergestellt werden und daß die Ankopplung der Fasern an die integriert-optischen Wellenleiter durch Einlegen der Fasern in die Vertiefungen für die Faserführung geschieht, und die Deckplatte sich auch über die Vertiefungen für die Faserführung erstreckt und so gestaltet ist, daß sie die Fasern in diese Vertie fungen preßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das zur Herstellung der Wellenleiter eingefüllte Material gleichzeitig auch der mechanischen Fixierung und der Reduzierung der Reflexionsdämpfung der Lichtleitfasern dient.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeich net, daß die strukturierten Substrate und ggf. die Deckplatten durch eine oder mehrere der Abformtechniken Prägen, Spritzprägen, Vakuum prägen, Pressen, Spritzpressen, Gießen, Vakuumgießen oder Spritz gießen hergestellt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-12, dadurch gekennzeich net, daß die zur Wellenleiterherstellung und ggf. zur Fixierung der Fasern eingesetzten Wirkstoffe ein oder mehrere optisch passive, thermooptische, elektrooptische, akustooptische, magnetooptische, oder optisch nichtlineare Polymere sind.