TITLE: PROCESS FOR PRODUCING OPTICAL POLYMER COMPONENTS WITH INTEGRAL
FIBRE/CHIP COUPLING BY MOULDING
European Patent EP0635139
 B1

ABSTRACT:
Abstract not available for EP0635139
Abstract of corresponding document: US5526454
PCT No. PCT/DE93/00248 Sec. 371 Date Oct. 11, 1994 Sec. 102(e) Date
Oct. 11, 1994 PCT Filed Mar. 18, 1993 PCT Pub. No. WO93/21550 PCT Pub.
Date Oct. 28, 1993.A method is proposed for producing passive and/or
active optical polymer components having integrated fibre-chip coupling
by means of casting technology. For this purpose, the master structure
is produced in common on a silicon substrate both for accommodating an
optical waveguide and a fibre-guiding structure anisotropically etched
into the substrate [sic], this master structure is cast by
electroplating and the negative mould thus produced is used to produce
daughter structures identical to the master structure, the
anisotropically etched V-shaped positioning trenches being filled with
polymer materials, so that a planar surface is produced, the planar
surface is coated with a photoresist or another structurable polymer,
trench-shaped openings which subsequently produce the optical
waveguides are structured into the polymer coating, and the trench
structures are opened by means of laser ablation.

INVENTORS:
Mayer, Klaus-michael (Steinbeiss Strasse 63, Gerlingen, D-7016, DE)

APPLICATION NUMBER: EP19930905201
PUBLICATION DATE: 06/23/1999
FILING DATE: 03/18/1993

ASSIGNEE: ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
INTERNATIONAL CLASSES: B29C33/38; B29D11/00; G02B6/122; G02B6/30; G02B6/42; B29C35/08;
G02B6/36; G02F1/065; (IPC1-7): G02B6/30
EUROPEAN CLASSES: B29C33/38M2C; B29D11/00J2; G02B6/122C; G02B6/30; G02B6/42C2

DOMESTIC PATENT REFERENCES:
EP0324492 Optical fiber connector assemblies and methods of making the
 assemblies.
EP0331338 Subassemblies for optoelectronic hybrid integrated circuits.
EP0388642 Micromechanical element.

FOREIGN REFERENCES:
5059763 Formation of optical quality surfaces in optical material

OTHER REFERENCES:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 13, no. 329 (P-904)25. Juli 1989 &
JP,A,01 094305 (HITACHI)

CLAIMS:
1. Method for producing a baseplate for an optical polymer component
having integrated fibre-chip coupling by means of casting technology,
the baseplate having a trench-shaped opening for accommodating an
optical waveguide, as well as a V-shaped positioning trench for
accommodating an optical fibre to be coupled to the optical waveguide,
having the following method steps: producing a master structure on a
silicon substrate by anisotropically etching a trench structure which
has a region with a V-shaped cross-section, filling the anisotropically
etched trench structure with a polymer material so as to produce a
planar surface (13), applying a coating made from a photoresist (14) or
another structurable polymer to the planar surface (13), constructing a
trench-shaped opening (15) in the coating (14), an end face of the
trench-shaped opening (15) being situated over the region with the
V-shaped cross-section of the etched trench structure, and the
longitudinal axes of the trench structure and of the trench-shaped
opening (15) being approximately parallel, removing the coating (14)
and the polymer material from the region with the V-shaped
cross-section of the trench structure, preferably by laser ablation, so
as to produce a V-shaped positioning trench (11) which has a
perpendicular end face (16) and forms a coherent structure with the
trench-shaped opening,producing a negative mould (17) by casting the
master structure using electroplating, producing daughter structures
(18, 35, 40), forming the baseplate, of the negative mould (17) in a
polymer plastic.
2. Method for producing a baseplate for an optical polymer component
having integrated fibre-chip coupling by means of casting technology,
the base plate having a trench-shaped opening for accommodating an
optical waveguide, as well as a V-shaped positioning trench for
accommodating an optical fibre to be coupled to the optical waveguide,
having the following method steps: producing a master structure on a
silicon substrate by anisotropically etching a trench structure which
has a region with a V-shaped cross-section, filling the anisotropically
etched trench structure with a polymer material so as to produce a
planar surface (13), constructing a trench-shaped opening (15) in the
silicon substrate and the polymer material, an end face of the
trench-shaped opening (15) being situated over the region with the
V-shaped cross-section of the etched trench structure, and the
longitudinal axes of the trench structure and of the trench-shaped
opening (15) being approximately parallel, removing the polymer
material from the region with the V-shaped cross-section of the trench
structure, preferably by laser ablation, so as to produce a V-shaped
positioning trench (11) which has a perpendicular end face (16) and
forms a coherent structure with the trench-shaped opening,producing a
negative mould (17) by casting the master structure using
electroplating, producing daughter structures (18, 35, 40), forming the
baseplate, of the negative mould (17) in a polymer plastic.
3. Method according to one of the preceding claims, characterized in
that the daughter structures (18, 35, 40) are produced by means of
injection-moulding and/or injection-compression moulding, transfer
moulding, casting and vacuum casting methods.
4. Method according to one of the preceding claims, characterized in
that the master structure and the identical daughter structures thereof
are simultaneously produced for a multiplicity of fibre-chip couplings
provided on an optical polymer component.
5. Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a
master structure for a cover plate connected to the fundamental element
is prepared simultaneously with the master structure for the fibre-chip
coupling.
6. Method according to one of the preceding claims, characterized by
the etching of mutually spaced paired parallel V-shaped structures (11)
whose parallel spacing of the inner terminal edge determines the
spacing between the baseplate and the cover plate.
7. Method according to one of the preceding claims, characterized in
that guide grooves (33) are etched into the cover plate which are
arranged in such a way that they accommodate and adjust glass fibres to
be covered in a manner true to size.
8. Method according to one of the preceding claims, characterized in
that a second negative mould is used in casting the polymer components
which has a V-shaped structure which engages in a laterally inverted
fashion between the paired V-shaped structures, which are laid
parallel, and effects fine micromechanical adjustment of the two
negative moulds.
9. Method according to one of the preceding claims, characterized in
that glass fibre ends (24) are inserted into the positioning trenches
in the cast polymer components, the trench-shaped openings are filled
with a light-conducting polymer, and the cover plate is folded down and
the baseplate is pivoted.
10. Method according to Claim 9, characterized in that the connection
between the baseplate and cover plate is made by a projecting
prepolymer which can be crosslinked thermally or optically.
11. Method according to one of the preceding claims, characterized in
that the baseplate and the cover plate are produced individually and
adjusted during assembly.
12. Method according to one of the preceding Claims 9 to 11,
characterized in that the trench-shaped openings are filled with a
nonlinear optical polymer and a polymer film (42) supporting printed
conductors (46) and electrodes (45) is inserted between the baseplate
(40) and cover plate (41).
13. Method according to Claim 12, characterized in that the polymer
film is laminated onto the cover plate before assembly with the
baseplate.
14. Method according to Claim 12 or 13, characterized in that the
filling polymers exhibit electrooptic, acoustooptic, magnetooptic or
thermooptic effects or else optical fluorescence and stimulated
emission (optical amplification).
15. Method according to one of Claims 12 to 14, characterized in that a
filling electrooptic polymer is polarised while still in the liquid
state directly after filling and assembly of the cover plate via an
applied electric field by means of the electrodes mounted on the
polymer film and is only then finally crosslinked in the polarised
state.
16. Method according to one of the preceding claims, characterized in
that passive and active optical polymers are used in a combined fashion
in an optical polymer component.
17. Optical component for integrated fibre-chip coupling, having a
baseplate (18, 35, 40) which has a V-shaped positioning trench (11)
with a perpendicular end face, in which an optical fibre (18) can be
inserted, characterized in that there is further provided a
trench-shaped opening (15) in which an optical waveguide (25) is
constructed, the positioning trench (11) and the optical waveguide (25)
forming a coherent structure, in that the baseplate consists of a
polymer material, and in that the baseplate is produced by twice
casting a master structure from a monocrystalline semiconductor
material, the first casting step being implemented by electroplating,
and the second casting step being implemented by compression moulding
or injection moulding technology.

DESCRIPTION:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruches und findet Anwendung bei der massenweisen Produktion
von monomodigen oder multimodigen Bauelementen der Integrierten Optik
mit monolithisch integrierter Faser-Chip-Kopplung.
Der zunehmende Einsatz integriert-optischer Komponenten für die
optische Nachrichtentechnik, für die Sensorik und den Computerbereich
(optischer Datenbus) läßt der optischen Anschlußtechnik
(Chip-Faser-Kopplung) eine immer größere Bedeutung zukommen. Bereits
kleinere private Vermittlungsstellen mit etwa 1.000
Teilnehmeranschlüssen benötigen dabei beispielsweise mehrere tausend
optische Anschlüsse zwischen den einzelnen Subschaltstufen, da Anzahl
und Komplexität der auf einzelnen Substraten integrierten optischen
Komponenten auf Grund der extremen Aspektverhältnisse in der Optik
stark eingeschränkt ist.
In solchen Anwendungsfällen bestimmt die Realisierbarkeit und
Zuverlässigkeit (mechanische und thermische Stabilität) der optischen
Anschlußtechnik und der erforderliche Anschlußaufwand letztlich den
erreichbaren Ausbaugrad eines optischen Vermittlungssystems bzw. eines
optischen Nachrichtennetzes.
Der Licht-Einkoppelwirkungsgrad bei der Kopplung von Glasfasern und
integrierten Wellenleitern der Bauelemente hängt stark von dem Abstand
der Endflächen, und sehr stark von einer lateralen Verschiebung sowie
einer Winkelverkippung der optischen Achsen gegeneinander ab. Die
Glasfaser besitzt bei der Ankopplung demnach fünf Freiheitsgrade, die
unabhängig voneinander optimiert werden müssen: einen axialen
Freiheitsgrad, zwei laterale Freiheitsgrade und zwei
Winkelfreiheitsgrade. Bei den für Glasfasern typischen Feldverteilungen
führt z. B. ein lateraler Versatz von nur wenigen µm bereits zu
Koppelverlusten im dB-Bereich. Ein effektives Ankoppelverfahren
erfordert eine Reduktion der Freiheitsgrade sowie eine Möglichkeit der
gleichzeitigen Positionierung aller Fasern eines Bündels. Aus Appl.
Opt. (1978), 895, " Optical coupling from fibres to channel waveguides
formed on silicon", J. T. Boyd und S. Sriram und ebenso aus der EP-A 0
331 338, ist es bekannt, V-Nuten als Positioniergräben für die
Glasfasern in ein Siliziumsubstrat einzuätzen. Die anisotrop geätzten
V-Nuten werden allseitig von langsam ätzenden {111} - Ebenen begrenzt,
die einen Winkel von 54,7° zur Wafer-Oberfläche einschließen. Fluchtend
mit diesen V-Nuten sind die integrierten Wellenleiter angeordnet, wobei
die Breite der Nuten so optimiert werden kann, daß durch die sich
ergebende Nutform der Faserkern in der gleichen horizontalen Ebene wie
der Lichtwellenleiter zu liegen kommt. Die im Bereich der
Kopplungsfläche zum Lichtwellenleiter liegende Stirnfläche der V-Nut
ist ebenfalls unter einem Winkel von 54,7° geneigt, so daß die
Glasfaser nicht ganz bis zum Wellenleiter herangeschoben werden kann.
Als Lösung für dieses Problem wird von Boyd und Sriram vorgeschlagen,
die Glasfaser mit einer um ebenfalls 54,7° geneigten Endfläche zu
versehen, um damit den Faserkern bis auf Stoßkopplung an den
integrierten Lichtwellenleiter heranzuschieben. Dieses Verfahren hat
jedoch den Nachteil, daß eine aufwendige Endflächenbearbeitung der
Faser notwendig ist und die Faser nur in einer bestimmten Lage in die
Nut eingelegt werden darf. Bei der Kopplung besteht darüber hinaus die
Gefahr, daß die beiden Endflächen aufeinandergleiten oder zumindest der
Endbereich der Faser daher aus der Nut herausgeschoben wird. Eine
zusätzliche Schwierigkeit ergibt sich aus der Notwendigkeit, nicht nur
die Faser, sondern auch den integrierten Wellenleiter mit einer
entsprechend geneigten Endfläche zu versehen.
Dieses Verfahren hat weiterhin den entscheidenden Nachteil, daß eine
massenweise Produktion von integrierten optischen Bauelementen nicht
möglich ist. Gerade jedoch die massenweise Produktion ist Voraussetzung
für eine effiziente und praktikable Anwendung.
Von H. Hosokawa et al., in Integrated Photonics Research Conf., Paper
MF6 (1991), ist bekannt, die gleichzeitige Herstellung von
Lichtwellenleiterstrukturen und Gitterstrukturen zur Lichteinkopplung
durch Prägetechnik und anschließende Photopolymerisation durchzuführen.
Diese Prägetechnik für monomodige Lichtwellenleiter ist jedoch nicht in
der Lage, eine substratintegrierte Faserführung zu realisieren.
Darüber hinaus ist das Prinzip der galvanischen Abformung und
Spritzgußvervielfältigung von Mikrostrukturen durch Lithographie mit
Synchrotronstrahlung, das sogenannte LIGA-Verfahren, bekannt. Hier
werden die abzuformenden Primärstrukturen üblicherweise durch
Röntgenbelichtung von Kunststoffen am Synchrotron erzeugt und davon
galvanisch die Formeinsätze für den Spritzguß erstellt. Mit diesem
Verfahren ist es nicht möglich, eine exakte Höhenjustage von
Faserführungsstrukturen, bei der simultanen Herstellung von
Lichtwellenleitern und Faserführungsstrukturen, zu erreichen. Gerade
die exakte Justage ist jedoch, wie auch weiter oben beschrieben, die
unabdingbare Voraussetzung zur Erzielung hoher Kopplungswirkungsgrade
zwischen Faser und Wellenleiter, da bereits geringste vertikale und
/oder laterale Abweichungen im Sub-Mikrometerbereich zu einer
Beeinträchtigung des Wirkungsgrades führen.
Bei allen bekannten Verfahren ist weiterhin nachteilig, daß eine
abschließende Justage der Faser-Chip-Kopplung durch eine gleichzeitig
vor mechanischen und anderen äußeren Einflüssen schützende Abdeckelung
nicht möglich ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 bietet
demgegenüber den Vorteil, daß eine massenhafte Produktion von
Polymerbauelementen mit integrierter und selbstjustierender Ankopplung
von Faserführungsstrukturen an Lichtwellenleiter-Bauelementen auf einem
gemeinsamen integriert-optischen Chip möglich ist.
Dazu werden hochpräzise vorjustierte Primärstrukturen, die
Masterstrukturen, auf Siliciumwafern hergestellt, galvanisch abgeformt
und anschließend im Spritzguß-/Spritzprägeverfahren in polymeren
Kunststoffen vervielfältigt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
In einfacher Weise werden durch bekannte anisotrope Ätztechniken des
Siliciums V-förmige Grabenstrukturen in den {100} orientierten Wafer
geätzt, wobei sich eine hochpräzise Struktur ergibt, über die die
spätere genaue Lage von Faserstruktur und Wellenleiterstruktur
zueinander definiert ist.
Eine solche V-Nut ist als Faserführungsstruktur besonders geeignet, da
die Winkeljustage, parallel zur Kristalloberfläche, sich automatisch
einstellt und über die Öffnungsweite der V-Nut sich die Höhenlage des
Faserkerns über die Waferoberfläche exakt einstellen und
fertigungstechnisch kontrollieren läßt.
In vorteilhafter Weise werden die V-Nuten mit polymeren Materialien
aufgefüllt und die entstandene ebene Oberfläche anschließend mit einem
Photolack oder einem anderen strukturierbaren Polymer beschichtet. In
die so entstandene Deckschicht werden erfindungsgemäß grabenförmige
Öffnungen strukturiert, die die Abmessungen der späteren
Lichtwellenleiter definieren.
Weiterhin erfindungsgemäß werden die Gräben anschließend mittels an
sich bekannter Excimer-Laserablationstechnik wieder geöffnet und in
besonders vorteilhafter Weise senkrechte Faserstrukturanschläge am
wellenstrukturseitigen Ende der V-Nuten geschnitten.
Es wurde gefunden, daß in einfacher Art und Weise ein selektiver Abtrag
der organischen Polymere möglich ist, ohne daß die Siliciumflächen der
Masterstruktur angegriffen werden. Die Laserablationstechnik eignet
sich auch in besonderer Weise, den genau definierten senkrechten
Faseranschlag freizulegen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Masterstruktur aus Lichtwellenleiter-Vorstruktur und
integrierter Faserführungsstruktur durch an sich bekannte
Galvanikverfahren abgeformt wird.
Die so entstandene Negativform wird zur Herstellung zahlreicher
Tochterkopien der Masterstruktur verwendet. Dies erfolgt
vorteilhafterweise durch Spritzguß- oder Spritzprägeverfahren in
Polymermaterialien geeigneter optischer Eigenschaften.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mit
der Masterstruktur für die Faser-Chip-Kopplung gleichzeitig eine
Masterstruktur für eine mit dem Grundelement verbundene Deckelplatte
hergestellt wird, die ebenfalls entsprechend des oben beschriebenen
Verfahrens galvanisch abgeformt wird und zur Herstellung von
Tochterstrukturen dient.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Verbindung
zwischen den die Faser- und Wellenleiterstruktur tragenden Grundkörper
und der Deckelplatte durch eine Knickkante gebildet wird. Die
Knickkante wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß entsprechend
beabstandet zueinander gleichzeitig mit der anisotropen Einätzung der
Faserführungsstrukturen paarweise kleine V-förmige Strukturen entlang
der späteren Knickkante eingeätzt werden.
Der Abstand der paarweisen V-Nuten zueinander bestimmt dann
gleichzeitig in besonders vorteilhafter Weise den späteren Abstand
zwischen Polymergrundplatte und Deckelplatte.
In dem Bereich der späteren Deckelplatte werden gleichzeitig weitere
Führungsnuten eingeätzt, die so angeordnet sind, daß nach dem Umklappen
der Deckelplatte entlang der Knickkante eine paßgenaue Justage der
eingelegten Glasfasern erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist, daß nun auf einem einzigen Siliciumwafer die
Masterstruktur für das komplette spätere Polymerbauelement,
einschließlich Abdeckelung, angelegt ist und eine spätere Justage von
Deckel und Substrat durch die Knickkante automatisch und in der
notwendigen Präzision erfolgt.
Diese gemeinsame Masterstruktur wird nunmehr in einem Stück galvanisch
abgeformt, und die entstandene Negativform wird zur gemeinsamen
Herstellung der Tochterstrukturen eingesetzt.
Hierbei wird, um die Knickkante zu erreichen, eine zweite Negativform
erstellt, die eine große V-Nut aufweist, die über die bereits
beschriebene anisotrope Einätztechnik erstellt wurde, die genau
seitenverkehrt zwischen die kleineren paarweisen V-Nuten paßt.
Hierdurch erfolgt eine mikromechanische Feinjustierung der beiden
Formeinsätze.
Da die Neigungswinkel der jeweiligen Masterstrukturen der beiden
Negativformen einander gegenüberliegen, passen die Führungsstrukturen
flächig aufeinander.
Grundelement und Deckelplatte können prinzipiell gleichwertig auch
separat hergestellt, abgeformt und vervielfältigt werden.
Durch die Wahl- der Brechungsindices von Deckelplatte, polymergefüllter
Wellenleiterkanäle und polymerer Grundkörper kann zusammen mit den
Abmessungen des Wellenleiterquerschnitts die optische Feldverteilung im
Wellenleiter modelliert werden. Durch den direkten Kontakt des
lichtführenden Polymers mit der Glasfaser und die einstellbare, nahezu
radial symmetrische Feldverteilung der optischen Felder im
Lichtwellenleiter sind optimale Koppelwirkungsgrade zwischen Glasfaser
und Lichtwellenleiter bei kostengünstiger, selbstjustierender
Montagetechnik erreichbar.
Im Sinne der Erfindung ist weiterhin, daß die durch das beschriebene
Herstellungsverfahren gewonnenen optischen Polymerbauelemente mit
integrierter Faser-Chip-Kopplung auch für aktive Polymerbauelemente
eingesetzt werden.
Dazu werden in die für die Lichtwellenleiter vorgesehenen
grabenförmigen Öffnungen anstatt eines passiven Polymers ein
nichtlinear-optisches-(NLO) Polymer oder beispielsweise auch ein mit
Seltenen Erden dotiertes Polymer eingebracht. Die Verbindungsgestaltung
zwischen Faserführungsstruktur und Wellenleiterstruktur wird in der
schon oben beschriebenen Weise erreicht, so daß auch hier ein
senkrechter Anschluß zwischen Glasfaser und Lichtwellenleiter entsteht.
Die Auswahl des eingesetzten NLO-Polymers, eines passiven oder auch
eines dotierten Polymers richtet sich nach dem Einsatz des
Polymerbauelementes als beispielsweise optooptisches, akustooptisches,
magnetooptisches, elektrooptisches bzw. thermooptisches Bauelement oder
auch als optischer Verstärker.
Erfindungsgemäß werden für elektrooptische oder thermooptische
Bauelemente zwischen dem die Faserführungsstruktur und
Wellenleiterstruktur aufweisenden Grundkörper und der Deckelplatte
Leiterbahnen und Elektroden tragende Polymerfolien entsprechend des
gewünschten Layouts der NLO-Bauelemente oder der thermooptischen
Bauelemente eingebracht. Über die Leiterbahnen und Elektroden erfolgt
die wunschgemäße Beeinflussung, zum Beispiel die Auslösung einer
Schaltfunktion, auf das Polymer.
Die Herstellung von Grundplatte, Deckelplatte und
Schaltfolienausschnitten erfolgt in der bereits beschriebenen
zusammenhängenden Form.
Beim Einsatz von Schaltfolien werden die Aussparungen in der
Deckelplatte entsprechend der Schaltfoliendicke mit geringerer Tiefe
modelliert.
Im Falle der Ausführungsform zusammenhängender Grund- und Deckelplatte
ist die Dicke der Schaltfolie durch den Abstand der paarweisen V-Nuten
längs der Knickkante vorzuhalten.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
 einen Ausschnitt aus einer Masterstruktur auf Siliciumsubstrat
 in Draufsicht,
Figur 2
 die in Figur 1 dargestellte Masterstruktur im Längsschnitt,
Figur 3
 die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Masterstruktur mit einem
 Galvanikformeinsatz,
Figur 4
 eine Negativform,
Figur 5
 eine mit der in Figur 4 dargestellten Negativform gewonnene
 Tochterstruktur,
Figur 6
 ein Beispiel für eine praktische Anwendung in einem optischen
 Polymerbauelement mit integrierter Faser-Chip-Kopplung, jedoch
 ohne die zugehörige Deckelplatte,
Figur 7
 ein optisches Polymerelement mit gleichzeitig vorgesehener
 Abdeckelung und
Figur 8
 ein Beispiel für eine praktische Anwendung eines aktiven
 optischen Polymerbauelements
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Masterstruktur zeigt einen
Ausschnitt (Faserführung/Wellenleiterkoppelstelle) eines späteren
Bauelements. Die Masterstruktur besteht aus einem Siliciumsubstrat 10,
in das zur Aufnahme einer hier nicht dargestellten Glasfaser ein
Positioniergraben 11 mit V-förmigem Querschnitt anisotrop eingeätzt
wird. Die bekannte anisotrope Ätztechnik weist einen sehr hohen
Entwicklungsstand auf und wird auch beim eingangs angegebenen Stand der
Technik eingesetzt. Mit Hilfe der Weite w einer rechteckförmigen
Öffnung in der Ätzmaske wird die Tiefe t des Positioniergrabens 11
eingestellt. Mit Hilfe von alkalischen Ätzmedien, wie zum Beispiel
Kaliumhydroxid, entstehen V-förmge Vertiefungen, die einen sehr
präzisen Winkel von 54,7° zur Oberfläche einschließen. Ein solcher
Winkel bildet sich auch an einer schrägen Endfläche 12 des
Positioniergrabens 11 aus, die sich über eine Länge a in den
Positioniergraben 11 hinein erstreckt. Die sich ausbildenden geneigten
{111}-Seitenflächen bilden dabei einen durch die anisotropen
Ätzeigenschaften des Kristalls definierten, natürlichen Ätzstop.
Für die spätere Höhenlage des Faserkerns gilt folgende Beziehung δ = R
/cosα - w /2 tan α, wobei R der Fasermantelradius, α oder
Neigungswinkel der {111} Flächen gegen die Waferoberfläche und w die
Weite des Positioniergrabens 11 an der Wafer-oberfläche ist.
Aus einer Änderung von w= 1 µm resultiert eine Änderung der Höhenlage
Δδ 0,7 µm.
Nach dem Ätzen des Positioniergrabens 11 wird dieser mit polymeren
Materialien aufgefüllt, so daß sich eine ebene Oberfläche 13 ergibt.
Die Oberfläche 13 wird im Anschluß mit einer Schicht 14 aus Photolack
oder einem anderen strukturierbaren Polymer versehen.
In die Schicht 14 wird eine grabenförmige Öffnung 15 mit den
Abmessungen x und y strukturiert, deren Querschnitt nicht
notwendigerweise rechteckig sein muß. Als Strukturierungsverfahren für
die Deckschicht 14 eignen sich beispielsweise Belichtungsverfahren
(Photolithographie), Laserablation oder Trockenätzverfahren, wie sie
für die Mikrostrukturierung entwickelt wurden.
Durch die Abmessungen x und y ist die Größe des späteren in dieser
grabenförmigen Öffnung 15 vorgesehenen Lichtwellenleiters definiert.
Mittels einer Excimer-Laserablationstechnik werden der
Positioniergraben 11 im Anschluß an die grabenförmige Öffnung 15
nunmehr derart geöffnet, daß dabei eine senkrechte Fläche 16 entsteht.
Die senkrechte Fläche 16 dient als Anschlag für die später
einzulegende, hier nicht dargestellte, Glasfaser. Die durch die
Lasertechnik entstehende glatte Fläche 16 macht eine weitere
Bearbeitung der einzulegenden Glasfaser unnötig. Der Schnitt erfolgt in
einem Abstand b von der oberen Endkante des Positioniergrabens 11,
wobei dieser Abstand b die Ausdehnung a der schrägen Endfläche 12
übertrifft und somit eine spätere Stoßkopplung zwischen Glasfaser und
Lichtwellenleiter ermöglicht.
Die spätere relative vertikale Lage der optischen Achsen der Glasfaser
und des Lichtwellenleiters wird so insgesamt nur über die Tiefe des
Positioniergrabens 12, entsprechend der bereits weiter oben
aufgeführten Beziehung, eingestellt.
In Figur 3 ist gezeigt, wie die entstandene Masterstruktur galvanisch
abgeformt wird.
Dazu wird die Masterstruktur leitfähig metallisiert und mittels bereits
bekannter Galvanikverfahren, zum Beispiel auf Nickelbasis, eine
Negativform 16 erstellt, die die identischen Abmessungen des
Positioniergrabens 11 und der grabenähnlichen Öffnung 15 aufweist. In
Figur 4 ist eine entformte Negativform gezeigt. Man erkennt deutlich
die prismenförmige Abbildung des Positioniergrabens 11 und die später
den Lichtwellenleiter aufnehmende Abbildung der Öffnung 15.
Mit Hilfe des sich aus der Negativform 17 ergebenen Stempels werden
zahlreiche Tochterkopien im Spritzguß- oder Spritzprägeverfahren im
Polymermaterial, zum Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA),
hergestellt. Die Tochterkopien weisen exakt die gleiche Formgebung wie
die Masterstruktur auf.
In Figur 5 ist eine Tochterstruktur 18 mit eingelegter Glasfaser 19
schematisch in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Das eingelegte
Glasfaserende schließt mit seinem einen Ende plan mit der senkrechten
Fläche 16 der Tochterkopie 18 ab. Die optische Achse 20 der Glasfaser
19 kommt durch den V-förmigen Positionierungsgraben 11 in Höhe der den
später den Lichtwellenleiter aufnehmenden grabenähnlichen Öffnung 15 zu
liegen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 6 dargestellt. Die in den
Figuren 1 bis 5 erläuterte Verfahrensweise bezog sich zur besseren
Erläuterung auf eine einzige integrierte Kopplung der Glasfaser mit
einem Lichtwellenleiter.
In der Praxis wird es jedoch im Regelfall zu einer großen Anzahl
gleichzeitig anzuschließender Glasfasern kommen. Figur 6 zeigt die
Anwendung am Beispiel einer einfachen Verbindung 21 und einer
gleichzeitigen Verzweigung 22 auf dem selben Bauelement. Die
Koppelbereiche 23 zwischen den Glasfasern 24 und den Lichtwellenleitern
25 weisen den in den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Aufbau auf.
Die Deckelplatte, welche die Wellenleiter nach oben abschließt und
welche in geeigneten Aussparungen die Glasfasern nach oben hin führt,
ist in Figur 6 aus Darstellungsgründen nicht gezeichnet.
In Figur 7 ist ein aus Grundplatte und Deckelplatte bestehendes
optisches Polymerbauelement 30 mit integrierter Faser-Chip-Kopplung im
noch aufgeklappten Zustand gezeigt. Zur besseren Veranschaulichung sind
die eingelegten Glasfasern und das in die Wellenleitergräben
einzufüllende lichtführende Polymer nicht dargestellt.
Deutlich sind die Positioniergräben 11 mit V-förmigem Querschnitt zu
erkennen, an die sich die grabenförmigen Öffnungen 15 für die
Lichtwellenleiter anschließen. Das Bauelement weist weiterhin paarweise
angeordnete V-förmige Nuten 31 auf, die zueinander mit dem Abstand d
beabstandet sind. In dem sich ergebenden Zwischenraum der Nuten 31
greift von entgegengesetzter Seite eine weitere V-förmige Nut 32 ein.
Die V-Nuten 31 und 32 besitzen herstellungsbedingt die gleichen
Neigungswinkel ihrer Seitenflächen.
Das Polymerbauelement besitzt weitere Nuten 33, deren gedachte
Mittellinien den gleichen Abstand von der Knickkante 34 haben wie die
gedachten Mittellinien der Nuten 11.
Die Funktionsweise des optischen Polymerbauelements ist folgende:
In die Positionierungsgräben 11 werden die Glasfaserenden eingelegt und
die grabenförmigen Öffnungen 15 mit lichtführendem Präpolymer gefüllt,
dessen Brechungsindex gerinfügig über dem der Grund- und Deckelplatte
liegt. Im Anschluß wird die Deckelplatte 35 entlang der Knickkante 34
umgeklappt und wird auf die die Glasfasern und Lichtwellenleiter
aufnehmende Seite geschwenkt. Die Nuten 33 drücken im fertig montierten
Zustand die Glasfasern paßgenau in die Positioniergräben 11.
Die mechanische Verbindung zwischen Deckelplatte und Strukturseite
erfolgt durch dasselbe thermisch oder optisch vernetzbare Präppolymer,
das vor dem Zusammenfügen in die Lichtleitergräben eingefüllt wird.
Überstehendes Flüssigpolymer wird bei der Montage flachgedrückt und
sorgt als dünner Film nach der Vernetzung für eine flächige Verbindung.
Der sich ergebende Abstand zwischen Deckelseite und Strukturseite wird
durch die Weite des Abstandes d der Nuten 31 eingestellt.
Die Masterstruktur für die polymere Deckelplatte 35 wird ebenfalls
durch anisotropes Ätzen von Siliciumwafern hergestellt. Die
Deckelplatte kann dabei unabhängig von der Grundplatte oder - wie in
Figur 7 dargestellt - mit dieser gemeinsam auf einem Siliciumsubstrat
hergestellt werden. Die Weite der Maskenöffnung ist hierbei so groß zu
wählen, daß der Faserkern nicht durch die {111}-Flächen geführt wird.
Durch Kontrolle der Ätzzeit wird die Ätzung dann abgebrochen, wenn eine
breite Nut 33 mit einem Ätzgrund 36 entstanden ist, deren Tiefe gerade
den Wert Fasermantelradius minus Höhenlage des Faserkerns erreicht.
Die Herstellung des Faserendanschlages der Nuten 33 erfolgt ebenfalls
durch das bereits weiter oben beschriebene Auffüllen der geätzten Nut
mit polymeren Materialien und anschließendem Laserschneiden.
In Figur 8 ist ein aktives optisches Polymerbauelement gezeigt. Zur
besseren Verdeutlichung ist nur der Bereich der Wellenleiterstruktur
dargestellt. Die nicht dargestellte integrierte Faser-Chip-Kopplung an
den Ein- und Ausgängen des Bauelements ist die gleiche, wie sie bereits
in den Figuren 1 bis 7 beschrieben wurde.
Das Bauelement besitzt eine polymere Grundplatte 40 mit einer
grabenförmigen Öffnung 15 für den Lichtwellenleiter und eine
Deckelplatte 41. Zwischen der Grundplatte 40 und der Deckelplatte 41
ist eine optische Pufferfolie 42 angeordnet, die auf ihrer
deckelseitigen Fläche 43 mit Anschlußfahnen 44 und Elektroden 45
versehene elektrische Leiterbahnen 46 aufweist.
Die Elektroden 45 dienen zur Steuerung der Schaltfunktion und sind in
unmittelbarer Nähe des Lichtwellenleiters erforderlich. Die
Elektrodenanordnung muß eine weitgehende Durchsetzung des NLO-Polymers
durch die elektrischen Felder zwischen ihnen gewährleisten.
Andererseits müssen die metallischen Leiterbahnen optisch von den
Lichtwellenleitern genügend isoliert sein, um eine starke Lichtdämpfung
zu vermeiden. Die elektrischen Leiterbahnen 46 und Elektroden 45 werden
entsprechend des Layouts des NLO-Bauelementes planar auf die
Polymerfolie 42 aufgebracht. Diese Folie wirkt über ihre Dicke e als
optische Pufferschicht, da der Brechungsindex der Pufferfolie 42
kleiner ist als der des Lichtwellenleiters jedoch größer oder gleich
dem Brechungsindex der Grundplatte 40 und der Deckelplatte 41 ist. Da
die Dicke e, abhängig vom Layout der Wellenleiter, der gewünschten
Lichtwellenlänge und der Brechungsindexverhältnisse, nur wenige µm
beträgt, wird die Pufferfolie zunächst durch eine Trägerfolie
stabilisiert. Die Pufferfolie 42 wird mit der fertig strukturierten
Elektrode 45 auf die Deckelplatte 41 auflaminiert und die Trägerfolie
abgezogen. Die Glasfaseraussparungen in der Deckelplatte werden frei
gehalten oder durch die Folie zunächst überdeckt und anschließend
ausgeschnitten, beispielsweise durch eine Laserbearbeitung. Die Tiefe
der Aussparung in der Deckelplatte 41 ist um die Dicke e der
Pufferfolie vermindert.
Die Montage von polymerer Grundplatte 40, Glasfaser, polymerer
Deckelplatte 41, mit auflaminierter Pufferfolie 42 und Elektroden 45,
und lichtführendem NLO-Polymer erfolgt wie bereits oben mehrfach
beschrieben. Das NLO-Polymer muß, um elektrooptisch aktiv zu sein, ein
sogenanntes nicht-zentrosymmetrisches χ(2)-Polymer sein. Dieses muß in
einem elektrischen Feld gepolt werden, um eine molekulare
Vorzugsrichtung einzustellen, welche für den linearen elektrooptischen
Effekt notwendig ist.
Bei dem beschriebenen aktiven optoelektrischen Bauelement wird das
χ(2)-Polymer vor dem Vernetzen, also noch im flüssigen Zustand direkt
nach dem Einfüllen, durch angelegte elektrische Felder über die
Elektroden 45 auf der Pufferfolie 42 gepolt und dann im gepolten
Zustand erst vernetzt. Wegen der hohen Molekülbeweglichkeit im
flüssigen Zustand können so schon bei kleinen Feldstärken sehr hohe
Polungseffizienzen erreicht und nach dem Vernetzen dauerhaft
stabilisiert werden.
Die Pufferfolie 42 kann zum elektrischen Anschluß entweder seitlich aus
dem Polymerbauelement hinausragen und so eine einfache
Folienstecker-Kontaktierung ermöglichen oder auch über eine
überstehende Grundplatte 40 gestützt werden, um einfaches Bonden zu
ermöglichen.
In Figur 8 ist weiterhin am Beispiel der rechten Elektrode 47 der
Einsatz als thermooptisches Bauelement gezeigt. Die Elektrode 47 ist
als Heizfilm ausgebildet und wird über dem Lichtwellenleiter
angeordnet.
Durch eine lokale Temperaturerhöhung wird der Brechungsindex im
darunterliegenden Wellenleiterabschnitt abgesenkt. Typische
Indexänderungen der optischen Polymere betragen 10^-4/ °C. Damit lassen
sich thermooptische Schaltelemente in integrierter Polymertechnologie
auch mit passiven lichtleitenden Polymeren, beispielsweise mit
optischen Klebern geeigneten Brechungsindexes, realisieren. Wegen der
starken thermooptischen Effekte der Polymeren genügen
Temperaturänderungen von wenigen °C in einem der Interferomerterarme
eines beispielsweise als Mach-Zehnder Interferometer ausgebildeten 2 x
2 Schalters, um diesen vom cross- in den bar-Zustand umzuschalten.
Als weiteres Beispiel ist der Einsatz von aktiven Polymerbauelementen
mit integrierter Faserführung als planar integrierter optischer
Verstärker denkbar. Dazu können die Effekte der parametrischen
Verstärkung, in χ(3)-Polymeren, oder eine optisch gepumpte, stimulierte
Emission, durch ein Einfüllen von mit Seltenen Erden, zum Beispiel
Er^3+, -dotierten lichtführenden Polymeren und Einkoppeln eines
angepaßten Pumplasers über integrierte Koppler auf dem Chip genutzt
werden.
Es wird deutlich, daß das Verfahren zur Herstellung optischer, sowohl
passiver als auch aktiver, Polymerbauelemente mit integrierter
Faser-Chip-Kopplung in Abformtechnik nicht auf einen Einzelanschluß
beschränkt bleibt.
Es können für ein Polymerbauelement durch entsprechenden Aufbau von
Ätzmaske zur für Faserführungsstrukturen und Strukturierungsmaske für
Wellenleitergräben zur Herstellung der Masterstruktur beliebige
Negativformen und damit Tochterkopien in der beschriebenen Weise und in
großen Stückzahlen gewonnen werden.
Insbesondere eignet sich das beschriebene Herstellungsverfahren sowohl
für monomodige Bauelemente der optischen Nachrichtentechnik und
optischen Sensorik wie auch für multimodige Bauelemente etwa in lokalen
optischen Netzen.
Anstelle der Glasfasern können in gleichem Sinne
Kunststoff-Lichtwellenleiterfasern eingesetzt werden.
Anstelle von Siliciumsubstraten können in gleichem Sinne auch andere
anisotrop ätzende Substratmaterialien, beispielsweise Indiumphosphid,
verwendet werden.