DE4212208A1 - Verfahren zur Herstellung optischer Polymerbauelemente mit integrierter Faser-Chip-Kopplung in Abformtechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Ober­ begriff 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 Kompo­ nenten für die optische Nachrichtentechnik, für die Sensorik und den Computerbereich (optischer Daten­ bus) läßt der optischen Anschlußtechnik (Chip- Faser-Kopplung) eine immer größere Bedeutung zu­ kommen. Bereits kleinere private Vermittlungsstel­ len mit etwa 1000 Teilnehmeranschlüssen benötigen dabei beispielsweise mehrere tausend optische An­ schlüsse zwischen den einzelnen Subschaltstufen, da Anzahl und Komplexität der auf einzelnen Substraten integrierten optischen Komponenten auf Grund der extremen Aspektverhältnisse in der Optik stark ein­ geschränkt ist.

In solchen Anwendungsfällen bestimmt die Realisier­ barkeit und Zuverlässigkeit (mechanische und thermische Stabilität) der optischen Anschlußtech­ nik und der erforderliche Anschlußaufwand letztlich den erreichbaren Ausbaugrad eines optischen Ver­ mittlungssystems 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 latera­ ler Versatz von nur wenigen µm bereits zu Koppel­ verlusten im dB-Bereich. Ein effektives Ankoppel­ verfahren erfordert eine Reduktion der Freiheits­ grade sowie eine Möglichkeit der gleichzeitigen Po­ sitionierung 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, ist es bekannt, V-Nuten als Po­ sitioniergräben für die Glasfasern in ein Silizium­ substrat 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 angeord­ net, wobei die Breite der Nuten so optimiert werden kann, daß durch die sich ergebende Nutform der Fa­ serkern 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 Schwie­ rigkeit ergibt sich aus der Notwendigkeit, nicht nur die Faser, sondern auch den integrierten Wellenleiter mit einer entsprechend geneigten End­ fläche zu versehen.

Dieses Verfahren hat weiterhin den entscheidenden Nachteil, daß eine massenweise Produktion von inte­ grierten optischen Bauelementen nicht möglich ist. Gerade jedoch die massenweise Produktion ist Vor­ aussetzung 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 Lichtwellenleiter­ strukturen und Gitterstrukturen zur Lichtein­ kopplung durch Prägetechnik und anschließende Photopolymerisation durchzuführen. Diese Präge­ technik für monomodige Lichtwellenleiter ist je­ doch nicht in der Lage, eine substratintegrierte Faserführung zu realisieren.

Darüber hinaus ist das Prinzip der galvanischen Abformung und Spritzgußvervielfältigung von Mikro­ strukturen durch Lithographie mit Synchrotron­ strahlung, das sogenannte LIGA-Verfahren, bekannt. Hier werden die abzuformenden Primärstrukturen üblicherweise durch Röntgenbelichtung von Kunst­ stoffen am Synchrotron erzeugt und davon galva­ nisch die Formeinsätze für den Spritzguß erstellt. Mit diesem Verfahren ist es nicht möglich, eine exakte Höhenjustage von Faserführungsstrukturen, bei der simultanen Herstellung von Lichtwellenlei­ tern und Faserführungsstrukturen, zu erreichen. Gerade die exakte Justage ist jedoch, wie auch weiter oben beschrieben, die unabdingbare Voraus­ setzung zur Erzielung hoher Kopplungswirkungsgrade zwischen Faser und Wellenleiter, da bereits ge­ ringste vertikale und /oder laterale Abweichungen im Sub-Mikrometerbereich zu einer Beeinträchtigung des Wirkungsgrades führen.

Bei allen bekannten Verfahren ist weiterhin nach­ teilig, daß eine abschließende Justage der Faser- Chip-Kopplung durch eine gleichzeitig vor mechani­ schen und anderen äußeren Einflüssen schützende Ab­ deckelung nicht möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Kennzeichen des Hauptanspruches bietet demgegenüber den Vor­ teil, daß eine massenhafte Produktion von Poly­ merbauelementen mit integrierter und selbstjustie­ render Ankopplung von Faserführungsstrukturen an Lichtwellenleiter-Bauelementen auf einem gemeinsa­ men integriert-optischen Chip möglich ist.

Dazu werden hochpräzise vorjustierte Primärstruk­ turen, 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 Grabenstruk­ turen in den {100} orientierten Wafer geätzt, wobei sich eine hochpräzise Struktur ergibt, über die die spätere genaue Lage von Faserstruktur und Wellen­ leiterstruktur 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 kontrol­ lieren läßt.

In vorteilhafter Weise werden die V-Nuten mit polymeren Materialien aufgefüllt und die entstande­ ne ebene Oberfläche anschließend mit einem Photo­ lack 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 an­ schließend mittels an sich bekannter Excimer-Laser­ ablationstechnik wieder geöffnet und in besonders vorteilhafter Weise senkrechte Faserstrukturan­ schläge am wellenstrukturseitigen Ende der V-Nuten geschnitten.

Es wurde gefunden, daß in einfacher Art und Weise ein selektiver Abtrag der organischen Polymere mög­ lich ist, ohne daß die Siliciumflächen der Master­ struktur angegriffen werden. Die Laserablations­ technik eignet sich auch in besonderer Weise, den genau definierten senkrechten Faseranschlag frei zu­ legen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfin­ dung ist vorgesehen, daß die Masterstruktur aus Lichtwellenleiter-Vorstruktur und integrierter Fa­ serführungsstruktur durch an sich bekannte Galva­ nikverfahren abgeformt wird.

Die so entstandene Negativform wird zur Herstellung zahlreicher Tochterkopien der Masterstruktur ver­ wendet. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch Spritzguß- oder Spritzprägeverfahren in Polymer­ materialien geeigneter optischer Eigenschaften.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mit der Masterstruktur für die Fa­ ser-Chip-Kopplung gleichzeitig eine Masterstruktur für eine mit dem Grundelement verbundene Deckel­ platte hergestellt wird, die ebenfalls entsprechend des oben beschriebenen Verfahrens galvanisch abgeformt wird und zur Herstellung von Tochter­ strukturen 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 er­ reicht, daß entsprechend beabstandet zueinander gleichzeitig mit der anisotropen Einätzung der Fa­ serführungsstrukturen paarweise kleine V-förmige Strukturen entlang der späteren Knickkante eingeätzt werden.

Der Abstand der paarweisen V-Nuten zueinander be­ stimmt dann gleichzeitig in besonders vorteilhafter Weise den späteren Abstand zwischen Polymer­ grundplatte 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 ein­ zigen 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 ei­ nem 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 aniso­ trope 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 Master­ strukturen der beiden Negativformen einander gegen­ überliegen, passen die Führungsstrukturen flächig aufeinander.

Grundelement und Deckelplatte können prinzipiell gleichwertig auch separat hergestellt, abgeformt und vervielfältigt werden.

Durch die Wahl der Brechungsindices von Deckel­ platte, polymergefüllter Wellenleiterkanäle und po­ lymerer Grundkörper kann zusammen mit den Abmes­ sungen des Wellenleiterquerschnitts die optische Feldverteilung im Wellenleiter modelliert werden. Durch den direkten Kontakt des lichtführenden Poly­ mers mit der Glasfaser und die einstellbare, nahezu radial symmetrische Feldverteilung der optischen Felder im Lichtwellenleiter sind optimale Koppel­ wirkungsgrade zwischen Glasfaser und Lichtwellen­ leiter bei kostengünstiger, selbstjustierender Mon­ tagetechnik erreichbar.

Im Sinne der Erfindung ist weiterhin, daß die durch das beschriebene Herstellungsverfahren gewonnenen optischen Polymerbauelemente mit integrierter Fa­ ser-Chip-Kopplung auch für aktive Polymerbauelemen­ te eingesetzt werden.

Dazu werden in die für die Lichtwellenleiter vor­ gesehenen grabenförmigen Öffnungen anstatt eines passiven Polymers ein nichtlinear-optisches-(NLO) Polymer oder beispielsweise auch ein mit Seltenen Erden dotiertes Polymer eingebracht. Die Verbindungsgestaltung zwischen Faserführungs­ struktur 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, mag­ netooptisches, elektrooptisches bzw. thermoopti­ sches Bauelement oder auch als optischer Verstär­ ker.

Erfindungsgemäß werden für elektrooptische oder thermooptische Bauelemente zwischen dem die Faser­ führungsstruktur und Wellenleiterstruktur aufwei­ senden Grundkörper und der Deckelplatte Leiterbah­ nen und Elektroden tragende Polymerfolien entspre­ chend des gewünschten Layouts der NLO-Bauelemente oder der thermooptischen Bauelemente eingebracht. Über die Leiterbahnen und Elektroden erfolgt die wunschgemäße Beeinflussung, zum Beispiel die Auslö­ sung einer Schaltfunktion, auf das Polymer. Die Herstellung von Grundplatte, Deckelplatte und Schaltfolienausschnitten erfolgt in der bereits be­ schriebenen zusammenhängenden Form.

Beim Einsatz von Schaltfolien werden die Aus­ sparungen 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:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Masterstruktur auf Siliciumsubstrat in Draufsicht,

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Masterstruktur im Längsschnitt,

Fig. 3 die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Masterstruktur mit einem Galvanikform­ einsatz,

Fig. 4 eine Negativform,

Fig. 5 eine mit der in Fig. 4 dargestellten Negativform gewonnene Tochterstruktur,

Fig. 6 ein Beispiel für eine praktische Anwendung in einem optischen Polymerbauelement mit integrierter Faser-Chip-Kopplung, jedoch ohne die zugehörige Deckelplatte,

Fig. 7 ein optisches Polymerelement mit gleich­ zeitig vorgesehener Abdeckelung und

Fig. 8 ein Beispiel für eine praktische Anwendung eines aktiven optischen Polymerbauelements.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Master­ struktur zeigt einen Ausschnitt (Faser­ führung/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 Ätz­ eigenschaften des Kristalls definierten, natür­ lichen Ätzstop.

Für die spätere Höhenlage des Faserkerns gilt fol­ gende Beziehung

wobei R der Fasermantelradius, α der 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 Än­ derung der Höhenlage Δδ 0,7 µm.

Nach dem Ätzen des Positioniergrabens 11 wird die­ ser mit polymeren Materialien aufgefüllt, so daß sich eine ebene Oberfläche 13 ergibt. Die Ober­ fläche 13 wird im Anschluß mit einer Schicht 14 aus Photolack oder einem anderen strukturierbaren Poly­ mer 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 Deck­ schicht 14 eignen sich beispielsweise Belichtungs­ verfahren (Photolithographie), Laserablation oder Trockenätzverfahren, wie sie für die Mikro­ strukturierung entwickelt wurden.

Durch die Abmessungen x und y ist die Größe des späteren in dieser grabenförmigen Öffnung 15 vorge­ sehenen 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 er­ möglicht.

Die spätere relative vertikale Lage der optischen Achsen der Glasfaser und des Lichtwellenleiters wird so insgesamt nur über die Tiefe des Positio­ niergrabens 12, entsprechend der bereits weiter oben aufgeführten Beziehung, eingestellt.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie die entstandene Master­ struktur 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 Fig. 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 Spritz­ guß- oder Spritzprägeverfahren im Polymermaterial, zum Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA), herge­ stellt. Die Tochterkopien weisen exakt die gleiche Formgebung wie die Masterstruktur auf.

In Fig. 5 ist eine Tochterstruktur 18 mit ein­ gelegter Glasfaser 19 schematisch in einer perspek­ tivischen Ansicht gezeigt. Das eingelegte Glasfa­ serende 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 graben­ ähnlichen Öffnung 15 zu liegen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Die in den Fig. 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 Glas­ fasern kommen. Fig. 6 zeigt die Anwendung am Bei­ spiel einer einfachen Verbindung 21 und einer gleichzeitigen Verzweigung 22 auf dem selben Bau­ element. Die Koppelbereiche 23 zwischen den Glasfasern 24 und den Lichtwellenleitern 25 weisen den in den Fig. 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 Fig. 6 aus Darstellungsgründen nicht gezeichnet.

In Fig. 7 ist ein aus Grundplatte und Deckelplatte bestehendes optisches Polymerbauelement 30 mit integrierter Faser-Chip-Kopplung im noch aufge­ klappten Zustand gezeigt. Zur besseren Ver­ anschaulichung sind die eingelegten Glasfasern und das in die Wellenleitergräben einzufüllende licht­ führende Polymer nicht dargestellt.

Deutlich sind die Positioniergräben 11 mit V-förmi­ gem Querschnitt zu erkennen, an die sich die gra­ benförmigen Öffnungen 15 für die Lichtwellenleiter anschließen. Das Bauelement weist weiterhin paar­ weise angeordnete V-förmige Nuten 31 auf, die zu­ einander 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 Glasfa­ serenden eingelegt und die grabenförmigen Öffnungen 15 mit lichtführendem Präpolymer gefüllt, dessen Brechungsindex geringfügig über dem der Grund- und Deckelplatte liegt. Im Anschluß wird die Deckel­ platte 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 Fig. 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 be­ schriebene Auffüllen der geätzten Nut mit polymeren Materialien und anschließendem Laserschneiden.

In Fig. 8 ist ein aktives optisches Polymerbauele­ ment gezeigt. Zur besseren Verdeutlichung ist nur der Bereich der Wellenleiterstruktur dargestellt. Die nicht dargestellte integrierte Faser-Chip-Kopp­ lung an den Ein- und Ausgängen des Bauelements ist die gleiche, wie sie bereits in den Fig. 1 bis 7 beschrieben wurde.

Das Bauelement besitzt eine polymere Grundplatte 40 mit einer grabenförmigen Öffnung 15 für den Licht­ wellenleiter und eine Deckelplatte 41. Zwischen der Grundplatte 40 und der Deckelplatte 41 ist eine op­ tische 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 Schalt­ funktion und sind in unmittelbarer Nähe des Licht­ wellenleiters erforderlich. Die Elektrodenanordnung muß eine weitgehende Durchsetzung des NLO-Polymers durch die elektrischen Felder zwischen ihnen ge­ währleisten. Andererseits müssen die metallischen Leiterbahnen optisch von den Lichtwellenleitern ge­ nügend 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 Deckel­ platte 41 ist. Da die Dicke e, abhängig vom Layout der Wellenleiter, der gewünschten Lichtwellenlänge und der Brechungsindexverhältnisse, nur wenige im 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 Träger­ folie abgezogen. Die Glasfaseraussparungen in der Deckelplatte werden frei gehalten oder durch die Folie zunächst überdeckt und anschließend ausgeschnitten, beispielsweise durch eine Laser­ bearbeitung. Die Tiefe der Aussparung in der Deckelplatte 41 ist um die Dicke e der Pufferfolie vermindert.

Die Montage von polymerer Grundplatte 40, Glasfa­ ser, polymerer Deckelplatte 41, mit auflaminierter Pufferfolie 42 und Elektroden 45, und licht­ führendem 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, wel­ che für den linearen elektrooptischen Effekt not­ wendig ist.

Bei dem beschriebenen aktiven optoelektrischen Bau­ element wird das χ(2)-Polymer vor dem Vernetzen, also noch im flüssigen Zustand direkt nach dem Ein­ füllen, 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 hinaus­ ragen und so eine einfache Folienstecker-Kon­ taktierung ermöglichen oder auch über eine über­ stehende Grundplatte 40 gestützt werden, um ein­ faches Bonden zu ermöglichen.

In Fig. 8 ist weiterhin am Beispiel der rechten Elektrode 47 der Einsatz als thermooptisches Bau­ element gezeigt. Die Elektrode 47 ist als Heizfilm ausgebildet und wird über dem Lichtwellenleiter an­ geordnet.

Durch eine lokale Temperaturerhöhung wird der Brechungsindex im darunterliegenden Wellenleiterab­ schnitt 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 2×2 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 Er³⁺, -do­ tierten 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, Poly­ merbauelemente mit integrierter Faser-Chip-Kopplung in Abformtechnik nicht auf einen Einzelanschluß beschränkt bleibt.

Es können für ein Polymerbauelement durch ent­ sprechenden 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 Bau­ elemente der optischen Nachrichtentechnik und optischen Sensorik wie auch für multimodige Bau­ elemente etwa in lokalen optischen Netzen.

Anstelle der Glasfasern können in gleichem Sinne Kunststoff-Lichtwellenleiterfasern eingesetzt wer­ den.

Anstelle von Siliciumsubstraten können in gleichem Sinne auch andere anisotrop ätzende Substrat­ materialien, beispielsweise Indiumphosphid, ver­ wendet werden.

Claims (20)

1. Verfahren zur Herstellung optischer Polymer­ bauelemente mit integrierter Faser-Chip-Kopplung in Abformtechnik, wobei die optischen Polymerbauele­ mente einen Bereich zur Aufnahme eines Lichtwellen­ leiters und einen V-förmigen Positioniergraben zur Aufnahme einer an den Lichtwellenleiter anzukop­ pelnden Lichtleitfaser aufweisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf einem Siliciumsubstrat gemeinsam die Masterstruktur sowohl zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters als auch einer in das Substrat an sich bekannt anisotrop eingeätzten Faser­ führungsstruktur hergestellt wird, diese Master­ struktur galvanisch abgeformt wird und die so entstandene Negativform zur Herstellung von mit der Masterstruktur identischen Tochterstrukturen im Spritzguß- oder Spritzprägeverfahren in polymeren Kunststoffen eingesetzt wird, wobei der anisotrop eingeätzte V-förmige Positioniergraben mit polymeren Materialien aufgefüllt wird, so daß sich eine ebene Oberfläche ergibt, die ebene Oberfläche mit einem Photolack oder einem anderen struk­ turierbaren Polymer beschichtet wird, in die polymere Beschichtung grabenförmige, später den Lichtwellenleiter ergebende, Öffnungen strukturiert werden und die Grabenstrukturen für die Faser­ führung vorzugsweise mittels Laserablation geöffnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die grabenförmigen Öffnungen für den Lichtwellenleiter anstelle in die polymere Be­ schichtung strukturiert zu werden, in das Silicium­ substrat eingeätzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnung der Grabenstrukturen so er­ folgt, daß eine senkrecht zur axialen Richtung der Grabenstrukturen verlaufende, einen Anschlag bil­ dende Fläche am späteren lichtwellenleiterseitigen Ende des Positioniergrabens geschnitten wird.

4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nächsten Schritt die geöffneten Grabenstrukturen mittels Galvanotechnik abgeformt werden.

5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Negativform abgebildete Masterstruktur in einem nächsten Schritt zur Herstellung einer Vielzahl von iden­ tischen Tochterstrukturen eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Tochterstrukturen im Spritzguß- und/oder Spritzprägeverfahren, Prägeverfahren, Va­ kuumprägeverfahren, Preßverfahren, Spritzpreßver­ fahren, Gießverfahren, Vakuumgießverfahren herge­ stellt werden.

7. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Vielzahl von auf einem optischen Polymerbauelement vorgesehenen Faser-Chip-Kopplungen gleichzeitig die Masterstruk­ tur und davon die identischen Tochterstrukturen hergestellt werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Masterstruktur für die Faser-Chip-Ankopplung gleichzeitig eine Master­ struktur für eine mit dem Grundelement verbundenen Deckelplatte erstellt wird.

9. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß beabstandet zueinander paarweise parallele V-förmige Strukturen eingeätzt werden, deren paralleler Abstand der inneren Ab­ schlußkante den Abstand zwischen der Grundplatte und der Deckelplatte bestimmt.

10. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in die Deckelplatte Führungsnuten eingeätzt werden, die so angeordnet sind, daß sie abzudeckelnde Glasfasern paßgenau aufnehmen und justieren.

11. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abformung der Polymerbauelemente eine zweite Negativform einge­ setzt wird, die eine V-förmige Struktur aufweist, die seitenverkehrt zwischen die paarweise parallel angelegten V-förmigen Strukturen eingreift und eine mikromechanische Feinjustierung der beiden Negativ­ formen bewirkt.

12. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in die abgeformten Polymerbauelemente Glasfaserenden in die Postio­ niergräben eingelegt werden, die grabenförmigen Öffnungen mit lichtführendem Polymer gefüllt werden und die Deckelplatte umgeklappt und auf die Grund­ platte geschwenkt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung zwischen Grundplatte und Deckelplatte durch überstehendes thermisch oder optisch vernetzbares Präpolymer erfolgt.

14. Verfahren nach den vorhergehenden Absprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte und die Deckelplatte einzeln hergestellt und während der Montage justiert werden.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in die grabenförmigen Öffnungen ein nicht-linear-optisches Polymer einge­ füllt wird und zwischen Grundplatte und Deckelplat­ te eine Leiterbahnen und Elektroden tragende Poly­ merfolie eingelegt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polymerfolie auf die Deckelplatte vor der Montage mit der Grundplatte auflaminiert wird.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 16 und 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die eingefüllten Polymere elektrooptische, akustooptische, magnetooptische oder thermooptische Effekte oder auch optische Fluoreszenz und stimmulierte Emission (optische Verstärkung) zeigen.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß ein eingefülltes elektro­ optisches Polymer noch im flüssigen Zustand direkt nach dem Einfüllen und der Montage der Deckelplatte über ein angelegtes elektrisches Feld durch die auf der Polymerfolie aufgebrachten Elektroden ge­ polt wird und dann im gepolten Zustand erst endver­ netzt wird.

20. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem optischen Polymerbauelement passive und aktive optische Polymere kombiniert eingesetzt werden.

21. Optisches Polymerbauelement mit integrierter Faser-Chip-Kopplung, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem den Ansprüchen 1 bis 20 zugrunde liegendem Verfahren hergestellt wurde.