TITLE: Method for the fabrication of a planar optical coupler.
European Patent Application EP0402797 A2

ABSTRACT:
Channels, in which polymer light waveguides can be inserted, can be
milled in the surfaces of plastic sheets by means of an excimer laser.
The free space between the light waveguides is filled with a
transparent cast resin. sThe channels, produced by means of the laser,
are distinguished by high dimensional accuracy and low surface
roughness. ss

INVENTORS:
Coutandin, Dr. Jochen (DE)
Groh, Dr. Werner (DE)
Herbrechtsmeier, Dr. Peter (DE)
Theis, Dr. Juergen (DE)

APPLICATION NUMBER: EP19900110921
PUBLICATION DATE: 12/19/1990
FILING DATE: 06/09/1990

ASSIGNEE: HOECHST AG (DE)
INTERNATIONAL CLASSES: G02B6/26; B23K26/00; B23K26/40; B29C65/70; G02B6/28; G02B6/36;
(IPC1-7): B23K26/00; G02B6/28
EUROPEAN CLASSES: B29C65/70+C; B23K26/40B; B23K26/40B10; G02B6/28B; G02B6/36

OTHER REFERENCES:
PROCEEDINGS OF THE SPIE Bd. 840, 1987, BELLINGHAM, WASHINGTON, US
Seiten 29 - 36; BOIARSKI: 'Low-cost 1x2 fibre optic coupler using
plastic fibre'
* das ganze Dokument *
CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (BALTIMORE, MARYLAND) April
1989, OSA, WASHINGTON DC, US Seite 210; HOHMAN ET AL: 'Excimer laser
ablated grooves for optical fibre coupling to acrylate
photopolymerizable waveguide structures'
* das ganze Dokument *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 7, no. 113 (P-197)(1258) 18. Mai 1983 &
JP-A-58 034 415 ( NIPPON DENSHIN DENWA KOSHA ) 28. Februar 1983
APPLIED PHYSICS LETTERS. Bd. 41, Nr. 6, 15. September 1982, NEW YORK US
Seiten 576 - 578; SRINIVASAN ET AL: 'Self-developing photoetching of
poly(ethelene terephthalate) films by far-ultraviolet excimer laser
radiation'
EUROPEAN CONFERENCE ON OPTICAL COMMUNICATION (BRIGHTON, UK, SEPT 1988)
1988, IEE, LONDON,UK Seiten 589 - 590; BOOTH ET AL: 'Waveguide
properties and devices in photopolymer'
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 7, no. 196 (P-219)(1341) 26. August 1983
& JP-A-58 095 305 ( MATSUSHITA DENKO ) 6. Juni 1983
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 13, no. 214 (M-827)(3562) 18. Mai 1989 &
JP-A-1 031 585 ( BROTHER IND LTD ) 1. Februar 1989

CLAIMS:
1. Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Kopplers durch
Anlegen von Kan·alen in der Oberfl·ache einer Platte aus einen
transparenten Kunststoff, Einlegen von Polymer-Lichtwellenleitern in
die Kan·ale und Ausf·ullen des Freiraums zwischen den
Lichtwellenleitern mit einem transparenten Giessharz, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kan·ale durch einen Excimer-Laser ausgefr·ast
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz
einer Platte aus Polymethylmethacrylat oder Polymethylpenten ArF als
Lasergasf·ullung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz
einer Platte aus Polycarbonat, Polyethylentherephthalat oder Polystyrol
KrF als Lasergasf·ullung verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kan·ale
in Form eines asymmetrischen Ypsilons angeordnet sind und einen Winkel
beta = 0-60 DEG bilden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kan·ale
in Form eines symetrischen Ypsilons angeordnet sind und ein halbrundes
Profil aufweisen.

DESCRIPTION:
Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Kopplers
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines
planaren optischen Kopplers f·ur Polymer-Lichtwellenleiter-Systeme
unter Verwendung eines Excimer-Lasers.
Ein optischer Koppler ist ein optisches Bauteil, das die Lichtleistung
in N Eingangsfasern auf M Ausgangsfasern verteilt. Derartige Bauteile
werden in passiven Lichtwellenleiternetzen als Lichtleistungsverteiler
oder -kombinierer eingesetzt. Die Aufteilung der Lichtleistung bzw. das
Vereinigen der Lichtleistung von mehreren Fasern auf eine Faser
geschieht im Mischbereich des Kopplers.
Man unterscheidet faseroptische und planaroptische Koppler. Im
wesentlichen sind bisher 2 Methoden zur Herstellung planaroptischer
Koppler f·ur Polymer-Lichtwellenleiter-Systeme bekannt.
Es ist ein Verfahren f·ur die Herstellung planaroptischer Komponenten
f·ur Polymer-Lichtwellenleiter bekannt, bei welchen ein Substrat ·uber
eine Mehrfachbeschichtung eine 250 mu m dicke Photoresistschicht
aufgebracht wird, die mittels einer Maske und UV-Licht strukturiert
wird (vgl. A. Boiarski, SPIE, Bd. 840, S. 29 (1987). Die unbelichteten
Bereiche ergeben nach dem Entwickeln einen im Querschnitt quadratischen
Wellenleiter-Kanal, in den Polymer-Lichtwellenleiter mit einem
Durchmesser von 250 mu m eingelegt werden. Der Freiraum zwischen den
Fasern wird anschliessend mit einem geeigneten optischen Giessharz
ausgef·ullt.
Weiterhin ist ein optischer Koppler bekannt, der in der Weise
hergestellt wird, dass die in einem transparenten Substrat
herausgearbeiteten Nuten mit einem lichtdurchl·assigen Material zur
Ausbildung von lichtleitenden Kan·alen gef·ullt werden, wobei die
Brechzahl dieses Materials h·oher ist als die des Substrates (vgl. JP
61-73109). Die technische Realisierung der Wellenleiter-Kan·ale wird
nicht beschrieben.
Schliesslich ist auch bekannt, mit einem Excimer-Laser Kunststoffe zu
bearbeiten (vgl. R. Srinivasan et al., Appl. Phys. Letters, 41 (b) S.
576 (1982)).
Es wurde nun gefunden, dass man mit einem Excimer-Laser
Wellenleiter-Kan·ale mit geringen Oberfl·achenrauhigkeiten und hohen
Massgenauigkeiten in einen Kunststoff fr·asen kann.
F·ur das erfindungsgem·asse Verfahren wird eine Platte aus einem
transparenten Kunststoff zum Anlegen von Kan·alen auf einen in x-, bzw.
y-Richtung beweglichen Schiebetisch befestigt. Die Platte wird mit
einem in z-Richtung verlaufenden fokussierenden Excimer-Laserstrahl
bestrahlt. Der Schiebetisch wird so bewegt, dass in der transparenten
Platte die Kan·ale f·ur die gew·unschte Wellenleiter-Struktur
eingefr·ast werden. Eine andere M·oglichkeit besteht darin, durch eine
Metallmaske mit der gew·unschten Struktur hindurch die Kunststoffplatte
zu beleuchten. Dabei kann man 2 Verfahren verwenden: erstens einen
stark aufgeweiteten Laserstrahl, der die gesamte Maske ausleuchtet,
oder zweitens einen spaltf·ormigen Laserstrahl, der in der Breite die
Maske abdeckt, aber ·uber die L·ange der Maske mit Hilfe eines
beweglichen Spiegels fortbewegt wird.
Die Kunststoffplatte besteht aus einem transparenten Material, wie z.B.
PMMA, PS, Polymethylpenten, PET oder PC. Die Plattendicke betr·agt 1
bis 20 mm, vorzugsweise 1 bis 10 mm. Die L·ange und Breite der Platte
liegen je nach herzustellendem Kopplertyp im Bereich von 5 bis 200 mm,
vorzugsweise 80 bis 120 mm. Zur Ablation verwendet man als
Excimer-Lasergasf·ullung f·ur PMMA und Polymethylpenten vorzugsweise
ArF (Laserwellenl·ange lambda = 193 nm) und f·ur PC, PET und PS
vorzugsweise KrF (Wellenl·ange lambda = 248 nm).
Nachdem nun unter Verwendung eines Excimer-Lasers Wellenleiter-Kan·ale
in die transparente Kunststoffplatte gefr·ast wurden, k·onnen in die
Kan·ale Polymer-Lichtwellenleiter gelegt und der Freiraum zwischen den
Faserenden mit einem transparenten Giessharz ausgef·ullt werden.
Wirtschaftlicher ist es, die strukturierte Kunststoffplatte galvanisch
mit einem Metall zu ·uberziehen und die entstandene Metall struktur als
Formeinsatz f·ur ein Spritzguss-Werkzeug zur Massenfertigung zu
verwenden.
Die Vorteile des erfindungsgem·assen Verfahrens im Vergleich zu den
bekannten Verfahren liegen einerseits in der h·oheren Massgenauigkeit
und der geringeren Wandrauhigkeit der erhaltenen Kan·ale und
andererseits in der M·oglichkeit, Strukturh·ohen von 1 mm und mehr zu
erzeugen, was mit den bekannten Verfahren ohne weiteres nicht m·oglich
ist.
Das folgende Beispiel erl·autert die Erfindung anhand Figuren 1,2,3, 4
und 5. Herstellung eines Y-Kopplers
Ein 4 mm dickes PMMA-Pl·attchen (4) mit einer L·ange von 30 mm und
einer Breite von 20 mm wurde auf einem in x- und y-Richtung beweglichen
Schiebetisch befestigt. Der Tisch wurde durch einen Computer gesteuert,
in dem die Koordinaten der y-f·ormigen Wellenleiter-Kan·ale gespeichert
waren. Der Strahl eines mit ArF betriebenen Excimer-Lasers ( lambda =
193 nm), der senkrecht zur Tischebene auf das Pl·attchen fokussiert
war, fr·aste gem·ass der angegebenen Koordinaten die das y-Profil
bildenden Kan·ale (1), (2) und (3) in den Kunststoff. Die Breite und
Tiefe der Kan·ale betrug genau 1 mm, der Winkel des Ypsilons 20 DEG
(Fig. 1).
Nach Reinigung dieses Fr·asteils wurden Polymer-Lichtwellenleiter (5,
6, 7) mit einem Durchmesser von 1 mm, deren Enden (8, 9, 10) wegen der
ben·otigten guten optischen Qualit·at mit einem Mikrotommesser vorher
pr·apariert worden waren, in die Kan·ale (1), (2) und (3) relativ nahe
an die Koppelstelle (11) eingelegt (Fig. 2).
Der Freiraum zwischen den Faserstirnfl·achen (8, 9, 10) wurde mit einem
optisch transparenten Epoxyharz (12) (EPO-TEK 301-2, nD = 1,564)
ausgef·ullt. Der Brechungsindex des Harzes (12) wurde so gew·ahlt, dass
die Numerische Apertur (NA) des Koppelbereichs (11) mit PMMA als
optischer Mantel der NA der in die Nuten (1, 2, 3) eingelegten
Polymer-Lichtwellenleiter (5, 6, 7) entsprach.
Zum Schluss wurde ein PMMA-Pl·attchen (13) als Abdeckung auf den
Koppler geklebt. Die Einf·uged·ampfung mit der in Kanal (1)
befindlichen Faser (5) als Eingang und den in den Kan·alen (2) und (3)
befindlichen Fasern als Ausg·angen betrug 4,7 dB zw. 4,9 dB. Die
Abweichung untereinander betrug damit nur 0,2 dB.
Die Fig. 3 zeigt einen Y-Koppler, welcher durch drei Lichtwellenleiter
(5, 6 und 7) gebildet wird, die an der Koppelstelle (11) in der
vorstehend beschriebenen Weise verbunden wurden. Die Herstellung dieses
Kopplers ist beispielsweise auch in einem Spritzgiesswerkzeug m·oglich.
Herstellung eines asymmetrischen Kopplers
In ein 4 mm dickes PMMA-Pl·attchen (4) mit einer L·ange von 35 mm und
einer Breite von 30 mm wurde mit Hilfe eines Excimerlasers(ein
asymmetrisches Y-Kanalprofil gefr·asst. Die hergestellten Kan·ale (1,
2, 3) hatten eine Breite und Tiefe von 1 mm. Der Winkel beta des
asymmetrischen Ypsilon lag im Bereich von 0 bis 60 DEG typischerweise
zwischen 5 und 25 DEG .
Nach Reinigung eines Fr·asteils wurden Polymer-Lichtwellenleiter mit
einem Durchmesser von 1 mm, deren Enden mit einem Mikrotommesser
geschnitten worden waren, in die Kan·ale relativ nahe an die
Koppelstelle eingelegt (Fig. 4). Analog zum symmetrischen Y-Koppler
wurde der verbleibende Freiraum mit einem optisch transparenten
Epoxyharz (EPO-TEK 301-2, no = 1,564) aufgef·ullt. Als Abdeckung diente
wieder ein d·unnes PMMA-Pl·attchen (13), das auf die Kopplerplatte (4)
geklebt wurde. Das Pl·attchen hatte eine L·ange von 35 mm, eine Breite
von 30 mm und eine Dicke von 2 mm.
Auf diese Weise ist es m·oglich, durch Variation des Winkels beta ein
definiertes Aufteilungsverh·altnis einzustellen. Y-Koppler mit
Faserprofil
Mit einem Excimerlaser ( lambda = 193 mm) wurde in zwei dicken
PMMA-Pl·attchen (4, 13), die eine L·ange von 30 mm, eine Breite von 20
mm und eine Dicke von 4 mm hatten, eine symmetrische Y-Struktur mit
einem halbrunden Profil herausgefr·asst. Die hergestellten Kan·ale (1
min , 2 min , 3 min ) hatten einen Radius von 1 mm.
Nach Reinigung der Fr·asteile wurden Polymer-Lichtwellenleiter mit
einem Durchmesser von 1 mm, deren Enden mit einem Mikrotommesser
geschnitten worden waren, in die Kan·ale eines Blocks relativ nahe an
der Koppelstelle (11) eingelegt (Fig. 5). Analog zu den vorherigen
Beispielen wird wieder der Zwischenraum mit einem Epoxyharz
ausgef·ullt. Zur Vermeidung von Blasenbildung wurde der Kleber zwischen
den Fasern an Luft vorgetrocknet. Nach Einsetzen der Aush·artung wird
das zweite PMMA- Pl·attchen (13), in dem sich ebenfalls ein Y-Profil
befindet, ·uber das erste Pl·attchen (4), in dem die Fasern (5, 6, 7)
eingelegt wurden, gest·ulpt und verklebt.
Die Einf·uged·ampfung mit der in Kanal (1) befindlichen Faser als
Eingang und den in den Kan·alen (2) und (3) befindlichen Fasern als
Ausg·angen betrug 4.0 dB bzw. 4.2 dB. Die Abweichung untereinander
betrug damit nur 0,2 dB. Die bei den vorherigen Beispielen vorhandenen
Fl·achenverluste von 1 dB konnten durch das halbrunde Kanalprofil auf
ein Minimum reduziert werden. Auch beim asymmetrischen Y-Koppler
k·onnte die Einf·uged·ampfung durch ein halbrundes Randprofil um bis zu
1 dB verringert werden.
Es besteht auch die M·oglichkeit, halbrunde Profile mit einer