DE4208278A1 - Integrated optical component eg modulator or switch - provides polymer optical conductor running on polymer material filling positioning slanted trench at connection with glass fibre - Google Patents
Integrated optical component eg modulator or switch - provides polymer optical conductor running on polymer material filling positioning slanted trench at connection with glass fibreInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein integriertes optisches Bauelement, insbesondere einen Modulator, Richtkoppler, Schalter, Polari sator, Verteiler od. dgl. nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bau elements.The invention relates to an integrated optical component, in particular a modulator, directional coupler, switch, polar sator, distributor or the like. According to the genus of the main claim and a method for producing such a construction elements.
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 Vermittlungs stellen mit etwa 1000 Teilnehmeranschlüssen benötigen dabei beispielsweise mehrere tausend optische Anschlüsse zwischen den einzelnen Subschaltstufen, da Anzahl und Kom plexität der auf einzelnen Substraten integrierten optischen Komponenten auf Grund der extremen Aspektverhältnisse in der Optik stark eingeschränkt ist. In solchen Anwendungs fällen bestimmt die Realisierbarkeit und Zuverlässigkeit (mechanische und thermische Stabilität) der optischen An schlußtechnik und der erforderliche Anschlußaufwand letzt lich den erreichbaren Ausbaugrad eines optischen Vermitt lungssystems.The increasing use of integrated optical components for optical communication technology, for sensors and the computer area (optical data bus) leaves the optical Connection technology (chip-fiber coupling) an ever larger Importance. Even smaller private agencies with around 1000 subscriber lines several thousand optical connections, for example between the individual sub-switching stages, since number and com complexity of the optical integrated on individual substrates Components due to the extreme aspect ratio in the optics is severely limited. In such application cases determines feasibility and reliability (mechanical and thermal stability) of the optical an last technology and the required connection effort last Lich the achievable level of expansion of an optical communication system.
Der Licht-Einkoppelwirkungsgrad bei der Kopplung von Glas fasern und integrierten Wellenleitern der Bauelemente hängt sehr stark von dem Abstand der Endflächen, 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 Freiheits grad, zwei laterale Freiheitsgrade und zwei Winkelfreiheits grade. Bei den für Glasfasern typischen Feldverteilungen führt z. B. ein lateraler Versatz von nur wenigen µm bereits zu Koppelverlusten im dB-Bereich. Ein effektives Ankoppel verfahren erfordert eine Reduktion der Freiheitsgrade sowie eine Möglichkeit der gleichzeitigen Positionierung aller Fasern eines Bündels. Aus Appl . Opt. 17 (1978), 895, "Opti cal coupling from fibres to channel waveguides formed on silicon", J. T. Boyd und S. Sriram, ist es bekannt, V-Nuten als Positioniergräben 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 einschlie ßen. 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 Kopp lungsfläche zum Lichtwellenleiter liegende Stirnfläche der V-Nut ist ebenfalls unter einem Winkel von 54,7° ge neigt, 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 inte grierten Lichtwellenleiter heranzuschieben. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß eine aufwendige Endflächen bearbeitung 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 inte grierten Wellenleiter mit einer entsprechend geneigten Endfläche zu versehen.The light coupling efficiency when coupling glass fibers and integrated waveguides of the components depends very much from the distance of the end faces, a lateral one Shift and an angular tilt of the optical Axes against each other. The glass fiber has the Coupling accordingly five degrees of freedom, which are independent must be optimized from each other: an axial freedom degrees, two lateral degrees of freedom and two angular degrees of freedom straight. With the field distributions typical for glass fibers leads z. B. already a lateral offset of only a few microns coupling losses in the dB range. An effective coupling procedure requires a reduction in degrees of freedom as well a way of positioning everyone at the same time Fibers of a bundle. From appl. Opt. 17 (1978), 895, "Opti cal coupling from fibers to channel waveguides formed on silicon ", J. T. Boyd and S. Sriram, it is known to have V-grooves as positioning trenches for the glass fibers in a silicon etch substrate. The anisotropically etched V-grooves are bounded on all sides by slowly etching (111) planes, which includes an angle of 54.7 ° to the wafer surface eat. The integrated are aligned with these V-grooves Waveguide arranged, the width of the grooves so can be optimized that by the resulting groove shape the fiber core in the same horizontal plane as the Optical fiber comes to rest. The Kopp end face to the optical waveguide the V-groove is also ge at an angle of 54.7 ° tends so that the fiber does not quite reach the waveguide can be pushed up. As a solution to this problem is proposed by Boyd and Sriram to use fiber optics to provide an end surface that is also inclined by 54.7 °, so that the fiber core except for butt coupling to the inte push in the optical fiber. This method has the disadvantage, however, that complex end faces processing of the fiber is necessary and the fiber only in a certain position may be inserted into the groove. When coupling, there is also the risk that or at least slide the two end faces together the end region of the fiber is therefore pushed out of the groove becomes. An additional difficulty arises from the Need not only the fiber, but also the inte grated waveguide with a correspondingly inclined End surface.
Weiterhin ist es aus der genannten Literaturstelle bekannt, in geätzten V-Nuten Glasfasern zu haltern und durch an schließendes Einfüllen von Flüssigpolymer (Polyurethan) einen Anschluß zum organischen Lichtwellenleiter herzu stellen, der in den verlängerten V-Nuten geführt und durch diese definiert wird. Da die Größe der Nuten am Koppel punkt jedoch durch den Glasfasermanteldurchmesser vorgegeben ist, sind derartige Wellenleiter extrem hochmodig und für monomodige Systeme der Nachrichtentechnik nicht zu gebrau chen. Ferner wird ein Tapern der Kanalwellenleiter vorge schlagen, wobei die Breite und damit auch die Tiefe der V-Nut in ihrem weiteren Verlauf allmählich verkleinert wird, um damit den Übergang zu üblichen Dünnfilm-Wellen leitern zu realisieren. Da aber auch in diesem Fall beim Übergang vom Faserkern der Glasfaser zum Kanalwellenleiter ein großer Sprung im Durchmesser der Wellenleiterstrukturen erfolgt, ist ein Anschwingen höherer Moden unvermeidlich und damit ein hoher Koppelwirkungsgrad im Single-Mode- Betrieb nicht zu erwarten.Furthermore, it is known from the cited literature reference to be held in etched V-grooves glass fibers and by closing filling of liquid polymer (polyurethane) a connection to the organic optical fiber put out in the extended V-grooves and through this is defined. Because the size of the grooves on the paddock However, the point is determined by the glass fiber cladding diameter is, such waveguides are extremely fashionable and for monomode systems of telecommunications not to be used chen. Taping of the channel waveguide is also provided beat, the width and thus the depth of the V-groove gradually reduced in size to make the transition to usual thin film waves to realize ladders. But since in this case too Transition from the fiber core of the glass fiber to the channel waveguide a big jump in the diameter of the waveguide structures , higher modes are unavoidable and thus a high coupling efficiency in single-mode Operation not expected.
Das erfindungsgemäße integrierte optische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung haben demgegenüber den Vorteil, daß eine selbstjustierende Kopp lung von Glasfasern bzw. Faseranordnungen an Lichtwellen leiter aus einem optischen Polymer in einfacher Weise reali sierbar ist. Die Endflächenbearbeitung der Lichtwellenleiter ist einfach und vorzugsweise durch Laser-Ablation ausführ bar. Die Herstellung der Haltenuten für die Glasfasern kann durch anisotropes Ätzen auf einfache Weise nach einer etablierten Technologie erfolgen. Dabei wird eine hohe Genauigkeit der relativen Lage von Faser- und Wellenleiter endflächen erreicht. Durch leicht realisierbare Feldanpas sungen mittels Belichtungsverfahren kann ein hoher Koppel wirkungsgrad erreicht werden. Weiterhin kann eine große thermische und mechanische Stabilität durch gemeinsamen Verguß von Wellenleiter und Faser erreicht werden. Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich in besonderer Weise für monomodige Wellenleiterstrukturen.The integrated optical component and have the inventive method for its manufacture in contrast the advantage that a self-adjusting coupling development of glass fibers or fiber arrangements on light waves conductor made of an optical polymer in a simple way reali is sizable. The end face processing of the optical fibers is simple and preferably carried out by laser ablation bar. The production of the holding grooves for the glass fibers can easily by anisotropic etching after a established technology. In doing so, a high Accuracy of the relative position of the fiber and waveguide end surfaces reached. With easily realizable field adaptations solutions using exposure processes can be a high coupling efficiency can be achieved. Furthermore, a big one thermal and mechanical stability through common Potting of waveguide and fiber can be achieved. The Component according to the invention is particularly suitable for single-mode waveguide structures.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Bauelements möglich.By the measures listed in the subclaims are advantageous developments and improvements of component specified in the main claim possible.
Eine besonders einfache und mechanisch stabile Herstellung des Lichtwellenleiters kann dadurch bewirkt werden, daß eine die den Lichtwellenleiter tragende Pufferschicht und das Kunststoffmaterial im V-Graben bis zur Ebene der End flächen überdeckende Schicht aus einem optischen, durch Belichtung in seinem Brechungsindex veränderbaren Polymer versehen ist, wobei der Lichtwellenleiter durch entsprechen de Belichtung dieser Schicht als Teil derselben ausgebildet ist. Hierdurch kann der Lichtwellenleiter in variabler Weise nach der mechanischen Anbringung der Polymerschicht ausgebildet werden. Der als Lichtwellenleiter ausgebildete Bereich der Schicht weist einen höheren Brechungsindex auf.A particularly simple and mechanically stable production of the optical waveguide can be caused in that a buffer layer carrying the optical waveguide and the plastic material in the V trench to the level of the end surface covering layer from an optical, through Exposure in its refractive index changeable polymer is provided, with the optical waveguide by de Exposure of this layer formed as part of the same is. This allows the optical fiber to be more variable Way after mechanical application of the polymer layer be formed. The trained as an optical fiber The area of the layer has a higher refractive index on.
Das Kunststoffmaterial zur Ausfüllung des Positioniergrabens ist zweckmäßigerweise ebenfalls ein optisches Polymer, das insbesondere mit dem der die Pufferschicht überdeckenden Schicht identisch ist. Eine optimale Feldanpassung kann hier dadurch erfolgen, daß das glasfaserseitige Ende des Lichtwellenleiters adiabatisch auf den Durchmesser des Glasfaserkerns aufgeweitet ist. Hierbei ist nicht nur eine laterale, sondern zusätzlich oder alternativ auch eine vertikale Aufweitung möglich, die sich in das optische Polymer hinein erstreckt, das die V-Nut ausfüllt.The plastic material for filling the positioning trench is expediently also an optical polymer, this in particular with that of the one covering the buffer layer Layer is identical. An optimal field adjustment can done here in that the glass fiber end of Optical fiber adiabatic to the diameter of the Glass fiber core is expanded. This is not just one lateral, but additionally or alternatively also one vertical expansion possible, which is reflected in the optical Polymer that fills the V-groove.
Zur Feldanpassung des Lichtwellenleiters zur Glasfaser hin kann in vorteilhafter Weise neben der geometrischen Anpassung der den Lichtwellenleiter umgebende Bereich des optischen Polymers einen adiabatischen, den Brechungsindex unterschied zwischen Lichtwellenleiter und dem umgebenden Bereich zur Glasfaser hin verringernden Indexverlauf auf weisen.For field adaptation of the optical fiber to the glass fiber in addition to the geometric Adaptation of the area of the optical waveguide optical polymer an adiabatic, the refractive index difference between optical fiber and the surrounding Index to the fiber index-reducing area point.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Anpassung und Ankopplung besteht darin, daß das glasfaserseitige Ende des Lichtwellenleiters spitz zuläuft und in einem weiteren Lichtwellenleiter mit niedrigerem Brechungsindex mündet, der sich bis zum Glasfaserkern erstreckt. Hierbei ist auch noch bei gegenüber dem Glasfaserkern relativ stark führendem Lichtwellenleiter mit kleinen Querschnittsabmessungen ein hoher Koppelwirkungsgrad möglich. Der weitere Lichtwellen leiter kann eine größere Ausdehnung in der Breite und/oder in der Tiefe aufweisen und der Dimensionierung des Glas faserkerns an der Kopplungsendfläche angepaßt sein.Another advantageous way to adapt and Coupling is that the glass fiber end of the optical fiber tapered to a point and in another Optical fiber with a lower refractive index opens which extends to the fiberglass core. Here is also even with a relatively strong leader compared to the glass fiber core Optical fibers with small cross-sectional dimensions high coupling efficiency possible. The further light waves ladder can have a larger extension in width and / or have depth and dimensioning of the glass fiber core to be adapted to the coupling end surface.
In vorteilhafter Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Aufbringen der Schicht und das Ausfüllen des Posi tioniergrabens in einem Arbeitsgang mit demselben optischen Polymer durchgeführt werden. Hierdurch kann die Herstellung einfach und kostengünstig durchgeführt werden.In an advantageous embodiment of the method according to the invention can apply the layer and fill in the Posi trench in one operation with the same optical Polymer are carried out. This allows the manufacture be carried out easily and inexpensively.
Die Ausbildung des Lichtwellenleiters erfolgt zweckmäßiger weise über eine auf die Polymerschicht aufgelegte Belich tungsmaske, wobei durch Fotopolymerisation eine Brechungs indexerhöhung im Lichtwellenleiterbereich durchgeführt wird. Weiterhin kann beispielsweise im Falle nichtlinear optischer Polymere eine Belichtungsmaske auf die Polymer schicht aufgelegt und durch einen UV-Fotoausbleichprozeß eine Brechungsindexreduzierung von Bereichen durchgeführt werden, die den Lichtwellenleiter begrenzen.The formation of the optical waveguide is more expedient wise over a sheet placed on the polymer layer tion mask, with a refraction by photopolymerization index increase in the fiber optic range becomes. Furthermore, for example, in the case of non-linear optical polymers an exposure mask on the polymer layered and through a UV photo fading process a refractive index reduction of areas is carried out that limit the optical fiber.
Um zur Optimierung der Feldanpassung zwischen Glasfaser und Lichtwellenleiter eine adiabatische Aufweitung des Lichtwellenleiters vor dem Glasfaserkern durchzuführen, wird zweckmäßigerweise zur lateralen Aufweitung bis auf den Durchmesser des Glasfaserkerns eine Belichtungsmaske mit sich aufweitender Maskenöffnung verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zur vertikalen Aufweitung bis auf den Durchmesser des Glasfaserkerns die Belichtungsintensität und/oder die Belichtungszeit zur Glasfaser hin rampenartig vergrößert. Um noch eine zusätzliche Optimierung der Feld anpassung durchführen zu können, kann eine zweite Maske mit variabler Transparenz für eine Nachbelichtung verwendet werden, die faserseitig eine höhere Transparenz und licht wellenleiterseitig eine geringere Transparenz aufweist.To optimize the field adjustment between fiber optics and fiber optic adiabatic expansion of the Fiber optic in front of the glass fiber core, is expediently for lateral expansion up to the diameter of the glass fiber core an exposure mask used with widening mask opening. Alternatively or in addition to vertical expansion up to the diameter of the glass fiber core the exposure intensity and / or the exposure time towards the glass fiber is ramp-like enlarged. To further optimize the field a second mask can be used to make adjustments used with variable transparency for post-exposure on the fiber side are more transparent and light has less transparency on the waveguide side.
In einem zweiten Taper-Konzept wird zur Herstellung und Ankopplung eines spitz zulaufenden Lichtwellenleiters zu nächst in einem ersten Belichtungsschritt mit einer ersten Belichtungsmaske ein erster spitz zur Glasfaser hin zu laufender Lichtwellenleiter gebildet, und danach wird in einem zweiten Belichtungsschritt ein zweiter, den ersten Lichtwellenleiter mit der Kopplungsendfläche verbindender Lichtwellenleiter mit geringerem Brechungsindex gebildet, wobei der zweite Lichtwellenleiter in seinem Durchmesser dem Glasfaserkern angepaßt ist.A second taper concept is used to manufacture and Coupling of a tapered optical waveguide next in a first exposure step with a first Exposure mask a first pointed towards the glass fiber running optical fiber is formed, and then in a second exposure step a second, the first Optical fiber connecting with the coupling end face Optical fibers with a lower refractive index are formed, the second optical fiber in diameter is adapted to the fiberglass core.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Lichtwellen leitern bzw. Anschlüssen gleichzeitig hergestellt werden.With the method according to the invention can be advantageous Way a variety of adjacent light waves conductors or connections are made at the same time.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are in the drawing shown and in the description below explained. Show it:
Fig. 1 ein integriertes optisches Bauelement mit einer angekoppelten Glasfaser in einem V-Graben in einer Draufsicht als erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 1, an integrated optical device having a coupled optical fiber in a V-groove in a plan view as a first embodiment,
Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Bauelement in einer vertikalen Schnittdarstellung,The component shown in Fig. 1 Fig. 2 in a vertical sectional representation,
Fig. 3 eine ähnliche Anordnung eines optischen Bauele ments mit einer getaperten Struktur in einer Draufsicht als zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 3 is a similar arrangement of an optical Bauele ment with a getaperten structure in a plan view as a second embodiment,
Fig. 4 das in Fig. 3 dargestellte Bauelement in einer vertikalen Schnittdarstellung, Fig. 4, the device shown in Fig. 3 in a vertical sectional representation,
Fig. 5 ein ähnliches optisches Bauelement mit einem spitz auslaufenden Lichtwellenleiter in einer Draufsicht als drittes Ausführungsbeispiel, Fig. 5 is a similar optical component with a cusped optical waveguide in a plan view as a third embodiment,
Fig. 6 das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungs beispiel im Vertikalschnitt, Fig. 6, shown in Fig. 5 third execution example, in vertical section,
Fig. 7 das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Bauelement in einem Vertikalschnitt senkrecht zur Schnitt ebene gemäß Fig. 6 und Fig. 7, the vertical in FIGS. 5 and 6 component illustrated in a vertical section to the section plane of FIG. 6 and
Fig. 8 dasselbe Bauelement in einer perspektivischen Ansicht zum Wellenleiter hin. Fig. 8 is the same device in a perspective view towards the waveguide.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte integrierte optische Bauelement besteht im wesentlichen aus einem Siliziumsubstrat 10, in das zur Aufnahme einer Glasfaser 11 ein Positionier graben 12 mit V-förmigem Querschnitt anisotrop eingeätzt wird. Die bekannte anisotrope Ätztechnik weist einen hohen Entwicklungsstand auf und wird auch beim eingangs ange gebenen Stand der Technik eingesetzt. Mit Hilfe der Fenster öffnung in einer Ätzmaske wird die Weite a des Positionier grabens 12 und damit die Tiefe j der geätzten Nut festge legt. Mit Hilfe von alkalischen Ätzmedien, wie z. B. Kalium hydroxid, entstehen V-förmige Vertiefungen, die einen sehr präzisen Winkel von 54,7° zur Oberfläche einschließen. Ein solcher Winkel bildet sich auch an einer schrägen End fläche 13 des Positioniergrabens 12 aus, die sich über eine Länge c in den Graben hinein erstreckt.The integrated optical component shown in FIGS. 1 and 2 consists essentially of a silicon substrate 10 , in which a positioning trench 12 with a V-shaped cross section is etched anisotropically to accommodate a glass fiber 11 . The known anisotropic etching technology has a high level of development and is also used in the state of the art at the beginning. With the help of the window opening in an etching mask, the width a of the positioning trench 12 and thus the depth j of the etched groove is determined. With the help of alkaline etching media, such as. B. Potassium hydroxide, V-shaped recesses are formed, which enclose a very precise angle of 54.7 ° to the surface. Such an angle also forms on an inclined end surface 13 of the positioning trench 12 , which extends over a length c into the trench.
Nach dem Ätzen des vorprozessierten Siliziumsubstrats 10 (Wafer), das außer dem Positioniergraben 12 auch nicht dargestellte aktive und/oder passive optische Bauelemente sowie elektronische Anordnungen tragen kann, wird eine optische Pufferschicht 14 mit niedrigem Brechungsindex und einer Dicke k aufgebracht. Hierbei kann es sich um Siliziumdioxid handeln, jedoch kann auch ein organischer Film verwendet werden. Die Pufferschichtdicke muß als Masken vorhalt bei der Ätzung des Positioniergrabens 12 berück sichtigt werden.After the etching of the preprocessed silicon substrate 10 (wafer), which in addition to the positioning trench 12 can also carry active and / or passive optical components (not shown) and electronic arrangements, an optical buffer layer 14 with a low refractive index and a thickness k is applied. This can be silicon dioxide, but an organic film can also be used. The buffer layer thickness must be taken into account as a mask when etching the positioning trench 12 .
Anschließend wird ganzflächig ein optisches Polymer wie PMMA mit Fotoinitiator aufgebracht, das im Bereich des Positioniergrabens 12 zu einer Auffüllung 15 dieses Grabens und im übrigen Bereich zur Bildung einer die Oberfläche überziehenden Schicht 16 führt.An optical polymer such as PMMA with photoinitiator is then applied over the entire surface, which leads to a filling 15 of this trench in the region of the positioning trench 12 and to the formation of a layer 16 covering the surface in the remaining region.
In der Schicht 16 wird nun ein Lichtwellenleiter 17 mit der Breite f durch UV-Belichtung erzeugt. Eine lokale Foto polymerisation führt zu einer Brechungsindexerhöhung im belichteten Bereich. Die nicht dargestellte Belichtungs maske wird paßgenau an den geätzten V-Nuten des Positionier grabens 12 oder durch zusätzliche Justierhilfen ausgerichtet. An optical waveguide 17 with the width f is now produced in the layer 16 by UV exposure. Local photo polymerization leads to an increase in the refractive index in the exposed area. The exposure mask, not shown, is aligned with the etched V-grooves of the positioning trench 12 or by additional adjustment aids.
Entsprechend der Gestalt der langgestreckten Maskenöffnung bildet sich dann der Lichtwellenleiter 17.The optical waveguide 17 then forms in accordance with the shape of the elongated mask opening.
Anstelle der beschriebenen Fotopolymerisation kann der Lichtwellenleiter 17 bei Verwendung einiger nichtlinear- optischer Polymere auch prinzipiell gleichwertig durch eine lokale Thermopolung und/oder durch einen UV-Fotoaus bleichprozeß erfolgen.Instead of the photopolymerization described, the optical waveguide 17 can in principle also be equivalent when using some nonlinear optical polymers by local thermal polishing and / or by a UV photo bleaching process.
Die laterale Lichtführung wird durch einen für monomodige Wellenleiter in der Regel geringen Indexunterschied zwischen belichtetem (Lichtwellenleiter 17) und unbelichtetem Bereich realisiert (schwache Führung). Die vertikale Ausdehnung des Lichtwellenleiters 17 ist im Falle dünner Schichten (ungefähr 2 µm) durch die Dicke m der Polymerschicht 16 gegeben, wobei die vertikale Wellenführung durch den Index sprung einerseits zur Pufferschicht (14) und andererseits zu Luft oder gegebenenfalls einer oberen Deckschicht be stimmt wird (starke Führung). Die entsprechenden Feldver teilungen lassen sich bei geringen Schichtdicken in der Regel gut an die Feldverteilungen aktiver optischer Halb leiterbauelemente auf dem integriert-optischen Chip anpassen.The lateral light guidance is realized by an index difference between the exposed (optical waveguide 17 ) and the unexposed area (weak guidance), which is generally small for monomodal waveguides. The vertical extension of the optical waveguide 17 is given in the case of thin layers (approximately 2 μm) by the thickness m of the polymer layer 16 , the vertical waveguide being determined by the index jump on the one hand to the buffer layer ( 14 ) and on the other hand to air or an upper cover layer will (strong leadership). The corresponding field distributions can usually be well adapted to the field distributions of active optical semiconductor components on the integrated optical chip with small layer thicknesses.
Im Bereich größerer Schichtdicken, also im Bereich der Auffüllung 15, wird die vertikale Ausdehnung des Licht wellenleiters 17 durch die wirksame Tiefe des Fotopoly merisationsprozesses begrenzt. Bei starker UV-Absorption der fotopolymerisierbaren Materialien hängt diese Tiefe von den Belichtungsparametern und der Materialzusammen setzung (z. B. Anteil des Fotoinitiators) ab, so daß sich der Kanalwellenleiter hier gezielt auf eine einstellbare Tiefe q unter die Oberfläche ausdehnen läßt. Gleichzeitig wird in diesen Bereichen die Lichtwelle nach unten ebenfalls schwach geführt, wie dies in lateraler Richtung der Fall ist, was die Feldanpassung an die radialsymmetrische Ver teilung der Faser erleichtert.In the area of greater layer thicknesses, that is in the area of the filling 15 , the vertical extension of the optical waveguide 17 is limited by the effective depth of the photopolymerization process. With strong UV absorption of the photopolymerizable materials, this depth depends on the exposure parameters and the material composition (e.g. proportion of the photoinitiator), so that the channel waveguide can be specifically expanded to an adjustable depth q below the surface. At the same time, the light wave is also guided downwards weakly in these areas, as is the case in the lateral direction, which facilitates the field adaptation to the radially symmetrical distribution of the fiber.
Bis zu diesem Fertigungsschritt ist der Positioniergraben 12 mit dem optischen Polymer ausgefüllt. Für die Chip-Faser- Kopplung muß der Positioniergraben 12 nun zur Aufnahme der Glasfaser 11 mit dem Durchmesser h freigelegt werden. Dies kann durch Laser-Ablation mittels eines Excimer-Lasers erfolgen. Die dabei entstehende, ausreichend glatte Schnitt kante 18 durch den Lichtwellenleiter 17 und die Auffüllung 15 macht eine weitere Bearbeitung der Lichtleiterendfläche entbehrlich. Der Schnitt erfolgt in einem Abstand b von der oberen Endkante des Positioniergrabens 12, wobei dieser Abstand b die Ausdehnung c der schrägen Endfläche über trifft und somit eine Stoßkopplung zwischen Glasfaser 11 und Lichtwellenleiter 17 ermöglicht, die nur durch die Restrauhigkeit der Lichtleiterendfläche beschränkt ist. Die relative vertikale Lage n der optischen Achsen von Lichtwellenleiter 17 und Glasfaser 11 kann so insgesamt über der Tiefe der V-Nut so optimiert werden, daß die opti schen Felder möglichst gut überlappen. Der Glasfaserkern 19 mit dem Durchmesser i fluchtet dann ausreichend exakt mit dem Lichtwellenleiter 17. Im Falle einer stark führenden oberen Deckschicht, z. B. Luft, kann die Glasfaser 11 auch geringfügig tiefer gelegt werden, so daß der Glasfaserkern 19 oben bündig mit dem Lichtwellenleiter 17 abschließt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.Up to this manufacturing step, the positioning trench 12 is filled with the optical polymer. For the chip-fiber coupling, the positioning trench 12 must now be exposed to accommodate the glass fiber 11 with the diameter h. This can be done by laser ablation using an excimer laser. The resulting, sufficiently smooth cut edge 18 through the optical waveguide 17 and the filling 15 makes further processing of the optical fiber end surface unnecessary. The cut is made at a distance b from the upper end edge of the positioning trench 12 , this distance b exceeding the extent c of the oblique end surface and thus allowing a butt coupling between glass fiber 11 and optical waveguide 17 , which is only limited by the residual roughness of the optical fiber end surface. The relative vertical position n of the optical axes of optical waveguide 17 and fiber 11 can be optimized overall over the depth of the V-groove so that the optical fields overlap as well as possible. The glass fiber core 19 with the diameter i is then aligned precisely enough with the optical waveguide 17 . In the case of a strong top layer, e.g. B. air, the glass fiber 11 can also be placed slightly lower, so that the glass fiber core 19 is flush with the optical fiber 17 , as shown in Fig. 2.
Falls die Pufferschicht 14 eine organische Pufferschicht ist, so wird diese durch die Laser-Ablation ebenfalls ent fernt, was im Masken-Layout über die Breite der zu ätzenden Strukturen zu berücksichtigen ist.If the buffer layer 14 is an organic buffer layer, this is also removed by laser ablation, which is to be taken into account in the mask layout over the width of the structures to be etched.
Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren werden mit nur einem Lithographie-/Ätzschritt für den Positionier graben 12 und einer UV-Belichtung für den Lichtwellenleiter 17 alle Freiheitsgrade der Chip-Faser-Kopplung durch die Maskenprozesse mit ausreichender Präzision festgelegt. Es kann dann noch ein thermischer Ausheizprozeß zur Stabili sierung der fotopolymerisierten Wellenleiterstrukturen erfolgen, bevor durch die Laserbehandlung die Endflächen geschaffen und der Positioniergraben 12 freigelegt wird. Die Faser kann dann ohne aktive Justage direkt in den Posi tioniergraben 12 eingelegt und fixiert werden. Dabei ist festzuhalten, daß zur Vereinfachung in den Fig. 1 und 2 und auch in den übrigen noch zu beschreibenden Figuren lediglich ein einziger Positioniergraben 12 mit einer Glas faser 11 und einem Lichtwellenleiter 17 dargestellt ist. In der Praxis wird jedoch eine Vielzahl paralleler Positio niergräben 12 geschaffen, und eine entsprechende Anzahl von Lichtwellenleitern 17 wird durch Belichtung erzeugt, bevor wiederum eine entsprechende Anzahl von Glasfasern 11 eingelegt und fixiert werden.In the manufacturing process described, with only one lithography / etching step for the positioning trench 12 and one UV exposure for the optical waveguide 17, all degrees of freedom of the chip-fiber coupling are determined with sufficient precision by the mask processes. A thermal baking process for stabilizing the photopolymerized waveguide structures can then take place before the end surfaces are created by the laser treatment and the positioning trench 12 is exposed. The fiber can then be inserted and fixed directly into the positioning trench 12 without active adjustment. It should be noted that, for simplification in FIGS. 1 and 2 and also in the other figures to be described, only a single positioning trench 12 with a glass fiber 11 and an optical waveguide 17 is shown. In practice, however, a plurality of parallel positioning trenches 12 are created, and a corresponding number of optical waveguides 17 is generated by exposure before a corresponding number of glass fibers 11 are again inserted and fixed.
Zur Erhöhung der thermischen und mechanischen Stabilität kann durch gemeinsamen Verguß der eingelegten Glasfasern 11 und der Lichtwellenleiter 17 eine gemeinsame obere Abdeck schicht geschaffen werden, die in den Figuren nicht darge stellt ist. Hierzu kann beispielsweise ein UV-härtbares optisches Flüssigpolymer verwendet werden. Wird der Index sprung zu dieser oberen Abdeckschicht gering gehalten, kann durch eine vertikal schwache Führung eine weitere Annäherung der Feldverteilungen vorgenommen werden.To increase the thermal and mechanical stability, a common upper cover layer can be created by jointly encapsulating the inserted glass fibers 11 and the optical waveguide 17 , which is not shown in the figures. A UV-curable optical liquid polymer can be used for this purpose, for example. If the index jump to this upper cover layer is kept low, the field distributions can be approximated further by a vertically weak guide.
Es ist selbstverständlich auch möglich, für die Auffüllung 15 ein anderes Kunststoffmaterial geringer optischer Dämp fung und geeigneten Brechungsindices als für die Schicht 16 und den Lichtwellenleiter 17 zu verwenden, sofern auf eine starke Führung im Lichtwellenleiter 17 im Anschluß bereich an die Glasfaser 11 ein besonderer Wert gelegt wird.It is of course also possible to use a different plastic material with lower optical damping and suitable refractive indices for the filling 15 than for the layer 16 and the optical waveguide 17 , provided that strong guidance in the optical waveguide 17 in the connection area to the glass fiber 11 is of particular value is placed.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten zweiten Ausfüh rungsbeispiel sind gleiche oder gleich wirkende Teile und Bereiche mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben.In the second embodiment shown in FIGS . 3 and 4, the same or equivalent parts and areas are provided with the same reference numerals and are not described again.
Zur Optimierung der Feldanpassung zwischen der Glasfaser 11 und dem Lichtwellenleiter 17 wird hier eine getaperte Struktur verwendet. Der glasfaserseitige Endbereich 17a des Lichtwellenleiters 17 ist adiabatisch auf den Durch messer des Glasfaserkerns 19 aufgeweitet. Dies geschieht lateral durch eine entsprechende Weitung der Maskenöffnung der Belichtungsmaske, deren Längsränder einen kleinen Öff nungswinkel α aufweisen. In einem typischen Beispiel ist α 1°, und die Taperlänge ist ungefähr 500 µm. Bei einer Lichtwellenleiterbreite von 4 µm und einem Faserkerndurch messer von ca. 10 µm.A tapered structure is used here to optimize the field adaptation between the glass fiber 11 and the optical waveguide 17 . The glass fiber end portion 17 a of the optical waveguide 17 is expanded adiabatically to the diameter of the glass fiber core 19 . This is done laterally by a corresponding expansion of the mask opening of the exposure mask, the longitudinal edges of which have a small opening angle α. In a typical example, α is 1 ° and the taper length is approximately 500 µm. With an optical fiber width of 4 µm and a fiber core diameter of approx. 10 µm.
Die vertikale Ausdehnung des Endbereichs 17a des Lichtwellen leiters 17 hängt von der Materialzusammensetzung und der Belichtung ab. Beispielsweise ist bei einem PMMA-Material mit Fotoinitiator die maximal durch UV-Belichtung erziel bare Indexerhöhung eine Funktion der Konzentration des Fotoinitiators. Dieser Sättigungseffekt kann beim vertikalen Tapern dahingehend ausgenutzt werden, daß bei starker Über belichtung des Lichtwellenleiters einerseits dessen Brechungs index beim Sättigungswert konstant bleibt, andererseits aber die Tiefenausdehnung mit der Belichtungsdosis (Inten sität · Zeit) zunimmt. Hierdurch kann der Endbereich 17a zur Auffüllung 15 hin vertikal verbreitert werden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die zunehmende Verbreite rung zum Glasfaserkern hin kann durch einen sogenannten Graukeil erzeugt werden, der faserseitig eine hohe Trans parenz und lichtwellenleiterseitig eine geringere Trans parenz aufweist. Diese Aufweitung auf eine Breite q gegen über der Dicke in der Schicht 16 kann selbstverständlich auch beim ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden, bei dem die laterale Breite konstant bleibt. The vertical extent of the end region 17 a of the optical waveguide 17 depends on the material composition and the exposure. For example, in the case of a PMMA material with a photoinitiator, the maximum index increase that can be achieved by UV exposure is a function of the concentration of the photoinitiator. This saturation effect can be exploited in vertical taping in such a way that when the optical waveguide is strongly overexposed, on the one hand its refractive index remains constant at the saturation value, but on the other hand the depth expansion increases with the exposure dose (intensity · time). As a result, the end region 17 a can be vertically widened towards the filling 15 , as shown in FIG. 4. The increasing widening towards the glass fiber core can be generated by a so-called gray wedge, which has a high transparency on the fiber side and a lower transparency on the fiber optic side. This widening to a width q compared to the thickness in the layer 16 can of course also be carried out in the first embodiment in which the lateral width remains constant.
Durch eine UV-Nachbelichtung der Schicht 16 im Bereich der getaperten Struktur kann der Brechungsindex außerhalb des Lichtwellenleiters 17 nachträglich angehoben werden, so daß mit kleiner werdendem Brechungsindexunterschied die Lichtführung schwächer wird und die Feldanpassung zur Glasfaser 11 hin weiter optimiert werden kann. Auch diese Nachbelichtung kann einen adiabatischen Indexverlauf er zeugen, wenn wiederum eine Maske mit variabler Transparenz verwendet wird ("Graukeil"). In Fig. 3 ist der nachzubelich tende Bereich 20 durch eine Umrandung gekennzeichnet. Die Belichtung für parallel angeordnete Faserarrays kann streifen weise über alle Positioniergräben 12 durch einfache Masken justierung erfolgen.By UV post-exposure of the layer 16 in the area of the tapered structure, the refractive index outside the optical waveguide 17 can subsequently be raised, so that the light guidance becomes weaker as the difference in refractive index becomes smaller and the field adaptation to the glass fiber 11 can be further optimized. This post-exposure can also produce an adiabatic index curve if a mask with variable transparency is used again ("gray wedge"). In Fig. 3, the region 20 to be post-illuminated is identified by a border. The exposure for fiber arrays arranged in parallel can be done in strips over all positioning trenches 12 by simple mask adjustment.
Bei dem in den Fig. 5 bis 8 dargestellten dritten Ausfüh rungsbeispiel ist der glasfaserseitige Endbereich 17b des Lichtwellenleiters 17 spitz zulaufend ausgebildet und mündet noch vor der Schnittkante 18. Dieser Endbereich 17b ist von einem weiteren Lichtwellenleiter 21 umgeben, der die Verbindung zur Glasfaser 11 bzw. zum Glasfaserkern 19 her stellt. Hierdurch können auch sehr dünne Lichtwellenleiter 17 optimal an einen relativ dickeren Glasfaserkern 19 ange koppelt werden. Der gegenüber dem Lichtwellenleiter 17 einen etwas niedrigeren Brechungsindex aufweisende weitere Lichtwellenleiter 21 wird durch einen zweiten Belichtungs prozeß mit einer eigenen Belichtungsmaske erzeugt. Bei größerem Querschnitt und bei geeignetem Indexprofil mit entsprechend größerer Tiefenausdehnung der optischen Felder im Bereich der Auffüllung 15 kann dann die Feldverteilung der Glasfaser 11 (typischer Glasfaserkern-Durchmesser i ungefähr = 8-10 µm) zur Erzielung hoher Koppelwirkungsgrade angenähert werden. Durch die spitz zulaufende Gestalt des Endbereichs 17b wird die darin geführte Lichtwelle in den weiteren Lichtwellenleiter 21 mit niedrigerem Brechungs index übergekoppelt. Die Feldverteilung im sehr schmalen Lichtwellenleiter 17 ist beispielsweise an optoelektroni sche Halbleiterbauelemente angepaßt, und über den Licht wellenleiter 21 wird dann eine Anpassung an die Feldver teilung der Glasfaser 11 erreicht.In the third exemplary embodiment shown in FIGS . 5 to 8, the glass fiber-side end region 17 b of the optical waveguide 17 is formed to be tapered and opens before the cutting edge 18 . This end region 17 b is surrounded by a further optical waveguide 21 , which provides the connection to the glass fiber 11 or to the glass fiber core 19 . As a result, even very thin optical waveguides 17 can be optimally coupled to a relatively thick glass fiber core 19 . The compared to the optical waveguide 17 having a slightly lower refractive index further optical waveguide 21 is generated by a second exposure process with its own exposure mask. With a larger cross-section and with a suitable index profile with a correspondingly greater depth expansion of the optical fields in the area of the filling 15 , the field distribution of the glass fiber 11 (typical glass fiber core diameter i approximately = 8-10 μm) can then be approximated in order to achieve high coupling efficiencies. Due to the tapered shape of the end region 17 b, the light wave guided therein is coupled into the further optical waveguide 21 with a lower refractive index. The field distribution in the very narrow optical waveguide 17 is adapted, for example, to optoelectronic semiconductor components, and then an adjustment to the field distribution of the glass fiber 11 is achieved via the optical waveguide 21 .
In den Fig. 7 und 8 ist noch eine obere Deckschicht 22 dargestellt, die die Schicht 16 bzw. den Lichtwellenleiter 17 überdeckt und auch die Glasfaser 11 mitüberdecken kann. Fig. 7 zeigt dabei einen Querschnitt durch die Anordnung senkrecht zur Längsrichtung des Lichtwellenleiters außer halb des Positioniergrabens 12.In Figs. 7 and 8 yet a top cover layer 22 is shown overlying the layer 16 and the optical waveguide 17 and may also mitüberdecken the optical fiber 11. FIG. 7 shows a cross section through the arrangement perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide outside of the positioning trench 12 .
In der perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 8 wurde zur Vereinfachung der Darstellung die Pufferschicht 14 wegge lassen. Auch auf eine Darstellung der Glasfaser 11 und der Deckschicht 22 wurde verzichtet.In the perspective view according to FIG. 8, the buffer layer 14 has been left to simplify the illustration. The glass fiber 11 and the cover layer 22 have also not been shown.
Anstelle der beschriebenen Strukturierungstechnik (UV-Be strahlung) zur Bildung des Lichtwellenleiters können prinzi piell auch andere Strukturierungstechniken treten, wie eine Ion-Implantation oder die Bildung eines Rippenwellen leiters z. B. durch Trockenätzen. Durch derartige Strukturie rungstechniken einschließlich der beschriebenen UV-Bestrah lung oder des UV-Fotoausbleichprozesses lassen sich neben der Herstellung des Lichtwellenleiters auch noch andere Leitungsstrukturen, Schalter od. dgl. in einheitlicher Techno logie auf dem integriert-optischen Chip erzeugen.Instead of the structuring technique described (UV-Be radiation) to form the optical waveguide can prince other structuring techniques, such as an ion implantation or the formation of a rib wave head z. B. by dry etching. Through such a structure techniques, including the UV radiation described or the UV photo fading process can also be used the manufacture of the optical fiber also other Line structures, switches or the like in uniform techno generate logic on the integrated optical chip.
Je nach Anforderung an die Kopplungswirkungsgrade zwischen Faser und Wellenleiter können die beschriebenen Maßnahmen in mehr oder weniger ausgeprägter Weise durchgeführt werden. Sind die Anforderungen nicht ganz so hoch, so kann bei spielsweise die einfachere Ausführung gemäß Fig. 1 aus reichen.Depending on the requirements for the coupling efficiency between fiber and waveguide, the measures described can be carried out in a more or less pronounced manner. If the requirements are not quite as high, the simpler embodiment according to FIG. 1 can suffice for example.
Claims (22)
- a) die optische Pufferschicht (14) aufgebracht wird,
- b) darüber eine Schicht (16) aus einem optischen Polymer aufgebracht wird, wobei vorher oder gleichzeitig der Positioniergraben (12) mit einem Kunststoffmate rial (15) ausgefüllt wird,
- c) durch entsprechende örtliche Belichtung oder Thermo polung dieser Schicht (16) der Lichtwellenleiter (17) gebildet wird und
- d) der Positioniergraben (12) bis zu einer vertikal zur axialen Richtung des Lichtwellenleiters (17) verlaufenden, eine Kopplungsendfläche bildenden Ebene (18) freigelegt wird.
- a) the optical buffer layer ( 14 ) is applied,
- b) a layer ( 16 ) of an optical polymer is applied over it, the positioning trench ( 12 ) being filled beforehand or simultaneously with a plastic material ( 15 ),
- c) is formed by appropriate local exposure or thermo polarity of this layer ( 16 ) of the optical waveguide ( 17 ) and
- d) the positioning trench ( 12 ) is exposed up to a plane ( 18 ) which runs vertically to the axial direction of the optical waveguide ( 17 ) and forms a coupling end face.
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