TITLE: Planar optical coupler
European Patent EP0402797
 B1

ABSTRACT:
Abstract of EP0402797
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. <??>The channels, produced by means of the
laser, are distinguished by high dimensional accuracy and low surface
roughness.

INVENTORS:
Coutandin, Dr. Jochen (Pestalozzistrasse 9, Langenlonsheim, D-6536, DE)
Groh, Dr. Werner (Dieulefiter Strasse 7, Lich, D-6302, DE)
Herbrechtsmeier, Dr. Peter (Friedrich-Stolze-Strasse 10,
Königstein/Taunus, D-6240, DE)
Theis, Dr. Jürgen (Am Tiergarten 40, Frankfurt am Main 1, D-6000, DE)

APPLICATION NUMBER: EP19900110921
PUBLICATION DATE: 01/18/1995
FILING DATE: 06/09/1990

ASSIGNEE: HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT (Frankfurt am Main, D-65926, 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 couplerusing plastic
fibre'
CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (BALTIMORE, MARYLAND)
April1989, OSA, WASHINGTON DC, US Seite 210; HOHMAN ET AL: 'Excimer
laser ablatedgrooves for optical fibre coupling to acrylate
photopolymerizable waveguide structures'
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. September1982, NEW YORK US
Seiten 576 - 578; SRINIVASAN ET AL: 'Self-developingphotoetching of
poly(ethelene terephthalate) films by far-ultraviolet excimerlaser
radiation'
EUROPEAN CONFERENCE ON OPTICAL COMMUNICATION (BRIGHTON, UK, SEPT 1988)
1988,IEE, LONDON,UK Seiten 589 - 590; BOOTH ET AL: 'Waveguide
properties and devicesin 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. A planar optical coupler having channels (1, 2, 3) provided in the
surface of a transparent plastic sheet (4), polymeric optical
waveguides (5, 6, 7) laid in the channels (1, 2, 3) and a free space
(11) between the optical waveguides which is filled up with a
transparent casting resin (12), wherein the channels (1, 2, 3) have
been milled out by means of an excimer laser to a structure height of 1
mm and over.
2. The coupler as claimed in claim 1, wherein the channels are arranged
in the form of an asymmetrical Y and form an angle β of 0-60°.
3. The coupler as claimed in claim 1, wherein the channels are arranged
in the form of a symmetrical Y and have a semicircular profile.

DESCRIPTION:
Die Erfindung bezieht sich auf einen planaren optischen Koppler für
Polymer-Lichtwellenleiter-Systeme.
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 für Polymer-Lichtwellenleiter-Systeme bekannt.
Es ist ein Verfahren für die Herstellung planaroptischer Komponenten
für Polymer-Lichtwellenleiter bekannt, bei welchen ein Substrat über
eine Mehrfachbeschichtung eine 250 µm 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 µm eingelegt werden. Der Freiraum zwischen den
Fasern wird anschließend mit einem geeigneten optischen Gießharz
ausgefüllt.
Weiterhin ist ein optischer Koppler bekannt, der in der Weise
hergestellt wird, daß die in einem transparenten Substrat
herausgearbeiteten Nuten mit einem lichtdurchlässigen Material zur
Ausbildung von lichtleitenden Kanälen gefüllt werden, wobei die
Brechzahl dieses Materials höher ist als die des Substrates (vgl. JP
61-73109). Die technische Realisierung der Wellenleiter-Kanäle wird
nicht beschrieben.
In dem Dokument EUROPEAN CONFERENCE ON OPTICAL COMMUNICATION
(BRIGHTON , UK , SEPTEMBER 1988)
1988 , IEE , LONDON , UK
Seiten 589,590 ;
BOOTH ET AL. : "Waveguide properties and devices in photopolymer" wird
ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines optischen Kopplers
beschrieben. Das Kopplerelement besteht aus einer 5 - 8 µm dicken
Wellenleiterschicht, die durch Photopolymerisation eines
Acrylatmonomers erhalten wird ,und mehreren Pufferschichten. Um das
Kopplerelement mit den zu- und abgehenden Wellenleiterfasern zu
verbinden, werden in die Wellenleiterschicht des Koppelerelements mit
einem Excimerlaser kurze Führungskanäle für die zu- und abgehenden
Wellenleiterfasern gebohrt (S. 590, Summary).
Die mit dieser Technik hergestellten Koppler haben ebenfalls den
Nachteil einer sehr geringen Strukturhöhe, wodurch sie für
polymeroptische Wellenleiterfasern ungeeignet sind.
In diesem Dokument werden im Unterschied zu der vorliegenden Erfidnung
mit einem Excimerlaser Führungskanäle in die lichtwellenleitende
Schicht eines Kopplerelements (Durchmesser 5 - 8 µ (S. 589,2. Absatz))
gefräst. Die Führungskanäle befinden sich lediglich an der
Verbindungsstelle zwischen dem Kopplerelement und den zu- und
abgehenden Lichtwellenleitern, bei denen es sich aufgrund des geringen
Durchmessers offensichtlich um Glasfasern und nicht um polymeroptische
Fasern handelt. Die Lichtwellenleiterkanäle, bestehend aus einem
lichtwellenleitenden Material, des Kopplerelements werden nicht durch
einen Excimerlaser, sondern durch Photolithographie erhalten. Das
erfindungsgemäße Verfahren stellt an die Oberflächenrauhigkeit der
Kunststoffkanäle, bedingt durch die verschiedene Herstellung und die
völlig andere Dimension des Kanaldurchmessers (≧ 1 mm), viel höhere
Anforderungen zur Vermeidung optischer Verluste als der Stand der
Technik
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 sich planare optische Koppler mit
Wellenleiter-Kanälen mit geringen Oberflächenrauhigkeiten und hohen
Maßgenauigkeiten bereitstellen lassen, dadurch daß die
Wellenleiter-Kanäle mit einem Excimer-Laser in die Kunststoffplatte des
Kopplers gefräst werden.
Dazu wird eine Platte aus einem transparenten Kunststoff zum Anlegen
von Kanälen 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 Kanäle für die gewünschte
Wellenleiter-Struktur eingefräst werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, durch eine Metallmaske mit der gewünschten 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 spaltförmigen
Laserstrahl, der in der Breite die Maske abdeckt, aber über die Länge
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 beträgt 1 bis
20 mm, vorzugsweise 1 bis 10 mm. Die Länge 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-Lasergasfüllung für PMMA und Polymethylpenten vorzugsweise ArF
(Laserwellenlänge λ = 193 nm) und für PC, PET und PS vorzugsweise KrF
(Wellenlänge λ = 248 nm).
Nachdem nun unter Verwendung eines Excimer-Lasers Wellenleiter-Kanäle
in die transparente Kunststoffplatte gefräst wurden, können in die
Kanäle Polymer-Lichtwellenleiter gelegt und der Freiraum zwischen den
Faserenden mit einem transparenten Gießharz ausgefüllt werden.
Wirtschaftlicher ist es, die strukturierte Kunststoffplatte galvanisch
mit einem Metall zu überziehen und die entstandene Metallstruktur als
Formeinsatz für ein Spritzguß-Werkzeug zur Massenfertigung zu
verwenden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kopplers im Vergleich zu den
bekannten Kopplern liegen einerseits in der höheren Maßgenauigkeit und
der geringeren Wandrauhigkeit der erhaltenen Kanäle und in der
Strukturhöhe von 1 mm und mehr.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung anhand Figuren 1, 2, 3, 4
und 5.
Herstellung eines Y-Kopplers
Ein 4 mm dickes PMMA-Plättchen (4) mit einer Länge 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-förmigen Wellenleiter-Kanäle gespeichert
waren. Der Strahl eines mit ArF betriebenen Excimer-Lasers (λ = 193
nm), der senkrecht zur Tischebene auf das Plättchen fokussiert war,
fräste gemäß der angegebenen Koordinaten die das y-Profil bildenden
Kanäle (1), (2) und (3) in den Kunststoff. Die Breite und Tiefe der
Kanäle betrug genau 1 mm, der Winkel α des Ypsilons 20° (Fig. 1).
Nach Reinigung dieses Frästeils wurden Polymer-Lichtwellenleiter (5, 6,
7) mit einem Durchmesser von 1 mm, deren Enden (8, 9, 10) wegen der
benötigten guten optischen Qualität mit einem Mikrotommesser vorher
präpariert worden waren, in die Kanäle (1), (2) und (3) relativ nahe an
die Koppelstelle (11) eingelegt (Fig. 2).
Der Freiraum zwischen den Faserstirnflächen (8, 9, 10) wurde mit einem
optisch transparenten Epoxyharz (12) (EPO-TEK 301-2, n[D] = 1,564)
ausgefüllt. Der Brechungsindex des Harzes (12) wurde so gewählt, 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-Plättchen (13) als Abdeckung auf den Koppler
geklebt.
Die Einfügedämpfung mit der in Kanal (1) befindlichen Faser (5) als
Eingang und den in den Kanälen (2) und (3) befindlichen Fasern als
Ausgängen 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 möglich.
Herstellung eines asymmetrischen Kopplers
In ein 4 mm dickes PMMA-Plättchen (4) mit einer Länge von 35 mm und
einer Breite von 30 mm wurde mit Hilfe eines Excimerlasers ein
asymmetrisches Y-Kanalprofil gefräßt. Die hergestellten Kanäle (1, 2,
3) hatten eine Breite und Tiefe von 1 mm. Der Winkel β des
asymmetrischen Ypsilon lag im Bereich von 0 bis 60° typischerweise
zwischen 5 und 25°.
Nach Reinigung eines Frästeils wurden Polymer-Lichtwellenleiter mit
einem Durchmesser von 1 mm, deren Enden mit einem Mikrotommesser
geschnitten worden waren, in die Kanäle 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, n[°] = 1,564) aufgefüllt. Als Abdeckung
diente wieder ein dünnes PMMA-Plättchen (13), das auf die Kopplerplatte
(4) geklebt wurde. Das Plättchen hatte eine Länge von 35 mm, eine
Breite von 30 mm und eine Dicke von 2 mm.
Auf diese Weise ist es möglich, durch Variation des Winkels β ein
definiertes Aufteilungsverhältnis einzustellen.
Y-Koppler mit Faserprofil
Mit einem Excimerlaser (λ = 193 mm) wurde in zwei dicken PMMA-Plättchen
(4, 13), die eine Länge von 30 mm, eine Breite von 20 mm und eine Dicke
von 4 mm hatten, eine symmetrische Y-Struktur mit einem halbrunden
Profil herausgefräßt. Die hergestellten Kanäle (1', 2', 3') hatten
einen Radius von 1 mm.
Nach Reinigung der Frästeile wurden Polymer-Lichtwellenleiter mit einem
Durchmesser von 1 mm, deren Enden mit einem Mikrotommesser geschnitten
worden waren, in die Kanäle eines Blocks relativ nahe an der
Koppelstelle (11) eingelegt (Fig. 5). Analog zu den vorherigen
Beispielen wird wieder der Zwischenraum mit einem Epoxyharz ausgefüllt.
Zur Vermeidung von Blasenbildung wurde der Kleber zwischen den Fasern
an Luft vorgetrocknet. Nach Einsetzen der Aushärtung wird das zweite
PMMA-Plättchen (13), in dem sich ebenfalls ein Y-Profil befindet, über
das erste Plättchen (4), in dem die Fasern (5, 6, 7) eingelegt wurden,
gestülpt und verklebt.
Die Einfügedämpfung mit der in Kanal (1) befindlichen Faser als Eingang
und den in den Kanälen (2) und (3) befindlichen Fasern als Ausgängen
betrug 4.0 dB bzw. 4.2 dB. Die Abweichung untereinander betrug damit
nur 0,2 dB. Die bei den vorherigen Beispielen vorhandenen
Flächenverluste von 1 dB konnten durch das halbrunde Kanalprofil auf
ein Minimum reduziert werden. Auch beim asymmetrischen Y-Koppler könnte
die Einfügedämpfung durch ein halbrundes Randprofil um bis zu 1 dB
verringert werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, halbrunde Profile mit einer