integriert optische single-mode-koppler, hergestellt durch

INTEGRIERT OPTISCHE SINGLE-MODE-KOPPLER,
HERGESTELLT DURCH LASERINDUZIERTE
BRECHUNGSINDEXMODIFIKATION IN PMMA
H. J. Brückner, S. Tiedeken, H. Schütte, Z. Akbay, W. Neu, H.-J. Otto
Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven, Constantiaplatz 4,
26723 Emden
Bei diesem Projekt handelt es sich um ein aus Hochschulmitteln gefördertes
Vorhaben.
Ziel unserer Arbeit ist die Herstellung passiver integriert optischer Wellenleiter für
die Kommunikationstechnik und Sensorik. Als kostengünstige Alternative zu den
bisherigen konventionellen Glas- und Halbleitermaterialien bietet sich PMMA an,
dessen Brechungsindex sich leicht durch gepulste KrF-Excimerlaserstrahlung (248
nm) modifizieren lässt. In Kombination mit geeigneten Masken lassen sich
wellenleitende Strukturen herstellen, die bei lateralen Querschnittsdimensionen
von weniger als 10 µm einmodig sind. Wir präsentieren die Herstellung optischer
Single-Mode-Koppler für den 1550 nm Wellenlängenbereich sowie deren
Strukturlayout mittels eines BPM-Verfahrens. Ihre Funktionalität demonstrieren wir
durch die Analyse der optischen Nahfeldintensität am Strukturausgang.
The objective of our work is the fabrication of integrated optical waveguides for
communication and sensor applications. A low cost alternative to conventional
glass or semiconductor materials is PMMA. Its refractive index can be easily
modified by pulsed excimer laser radiation at 248 nm. In combination with
appropriate masks optical singlemode waveguides with lateral cross section
dimensions of less than 10 µm are produced. We present the fabrication of optical
singlemode couplers for 1550 nm as well as their structure layout using a beam
propagation method. Their functionality is demonstrated by the analysis of the
optical near field intensity at the structure output.
1 Einleitung
Integriert optische Chips (IOC)
bestehen i.a. aus wellenführenden
Strukturen, deren
Querschnittsdimensionen in der
Größenordnung weniger Mikrometer
liegen und die auf einem
Trägersubstrat integriert sind.
Anwendungen in der optischen
Kommunikationstechnik, bei der
zurzeit der höchste Bedarf an IOCs
besteht, erfordern geringe Anfälligkeit
gegenüber äußeren Störungen,
während andererseits diese
Abhängigkeit gezielt zum Aufbau sehr
empfindlicher Sensoren auf
interferometrischer Basis eingesetzt
werden kann. Über effiziente
16. IWKM, Mittweida 2003
Sensoren für Druck [1] oder
Änderungen in der chemischen
Zusammensetzung zur Gas- und
Bioanalytik [2,3] wurde berichtet.
Die integrierte Optik hat ihren
traditionellen Schwerpunkt im Bereich
der Glas- und Halbleitertechnologie.
Diese bieten den Vorteil einer sehr
weit entwickelten Technologie, wobei
die hohen Entwicklungskosten
allerdings als nachteilig anzusehen
sind. Als Alternative bieten sich
optisch transparente Kunststoffe an,
mit denen eine Entwicklung von
Prototypen oder auch eine
Kleinserienfertigung
kundenspezifischer Elemente zu
deutlich geringeren Kosten möglich
1
ist. Darüber hinaus besitzen
Kunststoffe, wie z. B. PMMA, eine um
eine Größenordnung höhere
mechanische Deformierbarkeit als
Quarzglas oder Halbleitermaterialien,
was für integriert optische
Drucksensoren von Interesse sein
dürfte.
Im Folgenden berichten wir über die
Herstellung integriert optischer
Kopplerstrukturen auf PMMA, die auf
Grund ihrer einmodigen
Wellenführung im 1550 nm
Wellenlängenbereich sowohl für
Anwendung in der
Kommunikationstechnik als auch für
interferometrische Sensoren geeignet
sind. Das relativ einfache Verfahren
der Brechungsindexmodifikation
durch gepulste ExcimerlaserBestrahlung erlaubt eine flexible und
kostengünstige Herstellung.
2 Herstellungsmethode
Brechungsindexmodifikation in einem
transparenten Trägersubstrat kann
durch gepulste Strahlung z. B. für
Glas [4] oder auch PMMA [5] erreicht
werden. Wir verwenden als
Trägersubstrat kommerziell
erhältliches PMMA Formmasse 7N
der Fa. Röhm in einer Schichtdicke
von 3 mm, das mittels eines KrF
Excimerlasers von Lamda Physics,
Modell COMPEX 205, bei einer
Wellenlänge von 248 nm und unter
Einsatz einer Schattenmaske
belichtet wird (Abb. 1).
Abb.1: Schema der Probenherstellung
Die Realisierung der Schattenmaske
erfolgt in mehreren Prozessschritten:
Zunächst wird in einem
Reproduktionsverfahren eine 1:1
Fotomaske des vorher berechneten
Strukturlayouts erstellt. Anschließend
wird mittels konventioneller UVLithographie diese Struktur in eine
Fotolackschicht auf einer 200 nm
dicken Chrom-Nickel-Dünnschicht auf
Quarzglas übertragen und
nasschemisch geätzt.
Die durch die Maske
hindurchtretende Strahlung wird in
PMMA absorbiert und führt dabei zu
einem mit der Eindringtiefe
abfallenden Brechzahlprofil. Dieses
kann näherungsweise durch ein
exponentielles Gradientenprofil
beschrieben werden. Wir arbeiten mit
Energiedichten unterhalb der
Zerstörschwelle, so dass keine
Ablation der Oberfläche erfolgt. Bei
einer Energiedichte von 30 mJ/cm²,
einer Pulsfrequenz von 5 Hz und
einer Gesamtzahl von 4000 Pulsen
ergibt sich an der PMMA-LuftGrenzschicht eine maximale
Brechzahlerhöhung von ∆n=0.005
und eine 1/e-Eindringtiefe von h=12
µm [6]. Diese Werte resultieren aus
einem Vergleich der experimentell
bestimmten Intensitätsverteilung des
geführten Grundmodes am Ausgang
der Wellenleiter mit
Simulationsrechnungen zur
Modenfeldverteilung.
3 Kopplerlayout
Erst mit einer genauen Kenntnis der
Indexverteilung ist ein optimales
Design des Kopplers möglich, da
dessen Eigenschaften sehr
empfindlich von der Stärke der
Führung und der Geometrie der
Struktur abhängen. Es wurden
Simulationsrechnungen zur
Strahlausbreitung in einem YVerzweiger sowie einem 3dB-
16. IWKM, Mittweida 2003
2
Interferenzkoppler mittels einer 3DBeam-Propagation-Method (BPM),
basierend auf der Methode der
Finiten Differenzen, durchgeführt. Für
7 µm breite Wellenleiter erhalten wir
bei einer Wellenlänge von 1.55 µm,
∆n=0.005, h=12 µm sowie einem
Brechungsindex von 1.491 für
unmodifiziertes PMMA das in Abb.2
dargestellte Ergebnis.
4 Experimentelle Ergebnisse
Ein einfacher Y-Verzweiger sowie der
in Abb. 2 dargestellte 3-dB-Koppler
wurden hergestellt. Wir untersuchten
die Funktionalität der Strukturen,
indem die Nahfeldintensität der
ausgekoppelten Strahlung mit Hilfe
einer CCD-Kamera aufgenommen
und analysiert wurde. Abb. 3 zeigt
exemplarisch das Ergebnis für einen
Koppler, der bei einer Energiedichte
von 22mJ/cm² und 3000 Pulsen
belichtet wurde.
Abb. 2: BPM-Simulation des Kopplers
In den beiden Ausgangsarmen des
Kopplers ergeben sich jeweils ca.
47% der Leistung im Eingangsarm.
Die auftretenden Verluste sind bei
diesem einfachen Design auf die
Knickstellen der Wellenleiter
zurückzuführen. Dämpfungsverluste
durch Absorption in den Wellenleitern
bleiben hierbei unberücksichtigt. Eine
Reduzierung der Verluste ist möglich,
wenn die Wellenleiterkrümmungen
weiter optimiert werden. Können für
einige Anwendungen, z.B. im
Sensorbereich, höhere Verluste in
Kauf genommen werden, so lässt
sich die Länge des Kopplers
reduzieren, indem die Winkel
zwischen den Wellenleitern erhöht
werden. Unsere Rechnungen mit den
gleichen Wellenleiterparametern für
einen einfachen Y-Verzeiger zeigen,
dass bei einem Öffnungswinkel von
2° zwischen den Ausgangsarmen
noch jeweils ca. 40% der
Eingangsleistung am Ende der
Struktur geführt werden.
16. IWKM, Mittweida 2003
Abb. 3: Nahfeldintensität des 3-dBKopplerausgangs
Alle Strukturen sind einmodig bei
1550 nm und zeigen leicht elliptische
Modenfelder mit einem Durchmesser
von ca. 11 µm. Das Verhältnis der
ausgekoppelten Intensitäten ist bei
dem 3-dB-Koppler mit 0.48/0.52 nahe
dem vom Design her angestrebten
Wert. Es werden zur Zeit weitere
Untersuchungen zur Bestimmung der
Verluste durch Absorption, die in der
Größenordnung von mehreren dB/cm
liegen dürften, sowie durch
Wellenleiterkrümmungen
durchgeführt.
Wird die in Abb. 1 dargestellte Maske
durch eine Phasenmaske ersetzt,
lässt sich über die gleiche Technik
eine periodische Modifikation des
Brechungsindexes erreichen [7]. Wir
nutzten eine Phasenmaske mit einer
Gitterperiode von 1048 nm bei etwa
3
gleichen Energiedichten aber
niedrigeren Pulszahlen als für die
Koppler. In PMMA entstand ein Gitter
der Periode von 524 nm, das auf
Grund einer leichten
Volumenkontraktion eine strukturelle
Oberflächenmodulation bewirkte, die
sowohl mittels Elektronenmikroskopie
als auch durch Atomkraftmikroskopie
nachgewiesen wurde.
5 Zusammenfassung
Wir haben passive integriert optische
Kopplerstrukturen auf PMMA-Basis
hergestellt und deren Funktionalität
für 1550 nm nachgewiesen.
Unabdingbar für ein optimales Design
sind die genaue Kenntnis des
Brechzahlprofils, das wir durch die
Analyse des Modenfelds erhalten,
sowie numerische BPM-Simulationen
zum Strukturlayout. Die Belichtung
durch gepulste UV-Strahlung bei 248
nm in Kombination mit einer Maske
ermöglicht eine relative einfache und
flexible Herstellung von Strukturen für
die Kommunikationstechnik und
Sensorik. Durch Variation der
Belichtungsparameter ist es möglich,
bei vorgegebener Maske die
Führungseigenschaften der
Wellenleiter gezielt zu verändern.
Arbeiten zur Herstellung optischer
Filterstrukturen, z. B. durch die
Kombination von Wellenleitern mit
Gitterstrukturen, werden
durchgeführt.
Danksagung
Die Autoren danken C. Dyroff, M. Krause, T. Müller, D. Nodop, G. Palmer, M.
Titrek und B. Weichelt für ihre wertvolle Unterstützung sowie der Fa. Röhm für die
Bereitstellung von Probenmaterial. Die Arbeiten wurden im Rahmen des
Forschungsschwerpunkts Lasertechnik der FH OOW durchgeführt.
Literatur
[1]
J. Mueller, D. Zurhelle, K. Fischer, A. Loeffler-Peters, R. Hoffmann:
Integrated Optical Pressure Sensor With Coupling Structures
Proc. SPIE 1794, 167 – 178 (1993)
[2]
A. Brandenburg, R. Edelhäuser, F. Hutter: Integrated Optical Gas Sensors
Using Organically Modified Silicates As Sensitive Films
Sensors and Actuators B, 11 (1993) 361-374
[3]
D.A. Chang-Yen, B.C. Gale: An Integrated Optical Biochemical Sensor
Fabricated Using Rapid Prototyping Techniques
Proc. SPIE, Vol. 4982, 2003, San Jose (USA)
[4]
K. Minoshima, A. M. Kowalevicz, I. Harlt, E. P. Ippen, J. G. Fijimoto:
Photonic device fabrication in glass by use of nonlinear material processing
with a femtosecond laser oscillator, Optics letters, 26 (2001) 19, 1516-1518
[5]
C. Wochnowski, S Metev, G.Sepold: UV-Laser-Assisted Modification of the
optical properties of Polymethylmethacrylate
Appl. Surf. Sc. 154-155 (2000), 706
[6]
A.del C. Fernandez, H. J. Brückner, S. Tiedeken, W. Neu: Guided Mode
Analysis of Optical PMMA-Waveguides Structured by Direct Excimer Laser
16. IWKM, Mittweida 2003
4
Irradiation, akzeptiert zur Veröffentlichung in Journal of Optical
Communications, 2003
[7]
C. Wochnowski, S Metev, K. Meteva: UV-Laser-Assisted fabrication of
dispersive structures in polymeric integated-optical components
Proc. 4th Int. Symp. on Laser Precision Microfabrication, München 2003
16. IWKM, Mittweida 2003
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