DE2109687A1 - Verfahren zur Herstellung von inte gnerten optischen Elementen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von inte gnerten optischen ElementenInfo
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Description
2109687 FARBENFABRIKEN BAYER AG
LEVE RKU S EN-Bayerwerk Patent-Abteilunf
Ki/Wk
, 1. MRZ. 1971
Verfahren zur Herstellung von integrierten optischen Elementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integrierten optischen Elementen, insbesondere von optischen
Wellenleitern. Unter optischen Elementen werden hierbei die von der Mikrowellentechnik her bekannten Bauelemente, wie
z. B. Wellenleiter (Hohlleiter), Koppler, Hybride, Resonatoren verstanden. Die Herstellung solcher Bauelemente für optische
Frequenzen ist in neuerer Zeit für die moderne Nachrichtentechnik und die optische Datenverarbeitung von größtem Interesse.
Aus der Theorie der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in dielektrischen Wellenleitern geht hervor, daß diese
Wellenleiter nur sehr geringe Abmessungen haben dürfen. Insbesondere muß bei Rechteckwellenleitern eine Dimension ™
in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegen, die sich in diesem Wellenleiter ausbreiten
soll. Zur Herstellung von optischen Elementen für den Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes ist man daher auf
Verfahren angewiesen, die zu dünnen Schichten höchster optischer Qualität führen. Die wesentliche physikalische Größe
ist in diesem Zusammenhang die Dämpfung des Wellenleiters. Sie wird bestimmt durch die Homogenität seiner optischen
(Absorption und Dispersion) und geometrischen Eigenschaften (Rauhigkeit der Grenzflächen).
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Es sind Verfahren zur Herstellung solcher dielektrischer Wellenleiter
bekannt geworden, bei denen geeignete Materialien mit energiereichen elektromagnetischen Wellen, z.B. sichtbares oder
ultraviolettes Licht, bestrahlt wurden. Um die für optische Wellenleiter geforderten Abmessungen zu erreichen, muß das
Material in entsprechend dünner Schicht vorliegen, was oft Schwierigkeiten bereitet. Außerdem müssen beide Grenzflächen
dieser Schicht, wie oben angegeben, von sehr hoher optischer Qualität sein.
Es wurde nun gefunden, daß man in einfacher Weise optische Elemente, insbesondere dielektrische Wellenleiter, herstellen
kann, wenn eine an die Oberfläche angrenzende Schicht eines strahlungsempfindlichen Materials mit einer oder mehreren
Oberflächenwellen bestrahlt wird. Dabei ist der Begriff "Oberflächenwellen11
in folgender Weise definiert:
In einem isotropen nicht absorbierenden Medium mit dem Brechungsindex η können homogene elektromagnetische Wellen
der Frequenz V nur mit Wellenlängen A1. = A„ = cn existieren
(cn = Lichtgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium).
Eine Welle mit derselben Frequenz-τ) , aber einer Wellenlänge
eirfcsPrecnend-er Phasengeschwindigkeit c
ist in dem Medium normalerweise nicht existenzfähig. Solche
Wellen können aber durch bestimmte Randbedingungen an einer Grenzfläche wie sie z. B. bei der Totalreflexion auftreten,
dem Medium aufgezwungen werden* Da die Amplitude dieser Wellen mit zunehmender Entfernung von dieser Grenzfläche,
von der aus die Welle induziert wird, sehr schnell abklingt, bezeichnet man sie als "Oberflächenwellen".
Es sind eine ganze Reihe von dielektrischen Materialien
bekannt, die bei hinreichend starker Bestrahlung mit
elektromagnetischen Wellen direkt ihren Brechungsindex
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ändern (photochrome und photopolymere Materialien). Bei einer
weiteren Gruppe von Materialien tritt zunächst in der belichteten Schicht keine Änderung des Brechungsindex ein.
Erst eine gleichzeitig oder nachträglich durchgeführte photochemische
oder photophysikalische Verarbeitung der belichteten Schicht führt zum Ziel.
Entsprechend einer Weiterentwicklung der Erfindung wird also
der Brechungindex der belichteten Schicht durch eine während oder nach der Belichtung durchgeführte photochemische oder
photophysikalische Verarbeitung-verändert. In jedem Fall er- f
streckt sich die Änderung des Brechungsindexes nur über den Bereich der Schicht, der der Eindringtiefe der Oberflächenwellen
entspricht. Durch Veränderung der Randbedingungen läßt sich die Eindringtiefe variieren. Ein weiterer Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß nun nur eine Grenzfläche des Materials mit hoher Qualität vorliegen muß. Die
zweite Grenzfläche des Wellenleiters wird ja jetzt durch die
Wirkung der Oberflächenwelle erzeugt und entspricht in ihrer Qualität deren Gleichmäßigkeit. Es ist aber zu beachten, daß
es sich hier nicht um eine scharfe Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit verschiedenem Brechungsindex handelt, sondern
um eine zwar sehr dünne aber endliche Übergangsschicht, in der ein Gradient des Brechungsindex vorliegt. Durch die Wahl der "
Wellenlänge sowie durch die während oder nach der Belichtung durchgeführte schematische oder physikalische Vearbeitung
läßt sich die Dicke der Übergangsschicht verändern.
Vorteilhaft werden die Oberflächenwellen mit Hilfe der
Totalreflexion erzeugt. Zu diesem Zweck bringt man das dielektrische Material mit einem optisch dichteren Medium
in Kontakt. Läßt man nun in diesem dichteren Medium eine ebene Welle auf die Grenzfläche unter einem
Winkel auftreffen, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, so tritt die Lichtwelle in dem dielektrischen,
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strahlungsempfindlichen Material in Form einer Oberflächenwelle von sehr geringer Eindringtiefe auf. Die Eindringtiefe
läßt sich in diesem Fall sehr einfach durch Veränderung des Einfallswinkels variieren. Eine ausführliche Beschreibung
der physikalischen Eigenschaften der Oberflächenwellen findet sich in der Arbeit von H. Nassenstein, Naturwissenschaften,
57, Seite 468 - 473, 1970. Insbesondere wird auf die Figuren 5 und 8 dieses Artikels verwiesen, bei denen die durch Oberflächenwellen
hervorgerufene Schwärzung einer dünnen Schicht eines photographischen Materials unmittelbar zu sehen ist.
Bleicht man eine solche Schicht, so wird die Schwärzungsstruktur in eine Phasenstruktur umgewandelt. Man erhält also
eine dünne Schicht mit geändertem Brechungsindex.
Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen "Verfahrens
sieht dementsprechend vor, daß als strahlungsempfindliches dielektrisches Material eine normale photographische Silberhalogenidschicht
verwendet wird, in der bekannten Weise in eine Phasenstruktur erzeugt wird.
Als strahlüngsempfindliches Material für das erfindungsgemäße
Verfahren eignen sich ferner Photopolymere, Photoresist, "Photochrome und Chromatgelatine. Wegen der
relativ geringen Empfindlichkeit der zuletzt genannten Materialien müssen Lichtquellen hoher Intensität verwendet werden
(z.B. Ar-Laser, Kr-Laser oder für thermische ausgelöste Effekte auch COp Laser).
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird in einem Teilabschnitt des strahlungsempfindlichen Materials
der Oberflächenwelle eine homogene Welle überlagert, so daß in diesem Teilabschnitt eine Interferenzstruktur entsteht.
Die auf diese Weise hergestellte Phasenstruktur eignet sich als Koppler zur.Einkopplung einer elektromagnetischen Welle
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in einen optischen Wellenleiter. Alternativ wird in einem
Teilabschnitt des strahlungsempfindlichen Materials der ersten Oberflächenwelle eine zweite Oberflächenwelle überlagert,
so daß in diesem Teilabschnitt eine Interferenzstruktur entsteht, die auf die Interferenz von Oberflächenwellen
zurückgeht. Man erhält wieder ein optisches Element, das einen Koppler darstellt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen und Beispielen näher erläutert.
3s zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung der Oberflächenwelle
bei Totalreflexion,
Figur 2 eine optische Anordnung für Bestrahlung eines Ilateri-
Figur 2 eine optische Anordnung für Bestrahlung eines Ilateri-
als mit Oberflächenwellen und Figur 3 bzw.
Figur 4 Beispiele für die Herstellung von optischen Kopplern.
Figur 4 Beispiele für die Herstellung von optischen Kopplern.
In Figur 1 .trifft die von links kommende ebene monochromatische
Welle 1 auf die Granzfläche des optisch dünneren strahlungsempfindlichen Mediums 2 mit dem Brechungsindex n^ zu
dem optisch dichteren Medium 3 mit dem Brechungsindex n^·
Liegt der Einfallswinkel ψ ^ der Welle 1 über dem Grenzwinkel
^P für Totalreflexion, so tritt Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien auf(totalreflektierte
Welle 4). Im dünneren Medium tritt dann die Oberflächen welle 5 auf, deren Amplitude mit zunehmendem Abstand Z
von der Grenzfläche schnell abklingt. Ihre Eindringtiefe d liegt im allgemeinen in der Größenordnung der Wellenlänge
im dünneren Medium. Durch die Bestrahlung mit der Oberflächenwelle
wird im Bereich der Eindringtiefe d eine Änderung des Brechungsindex hervorgerufen, die ebenfalls in Figur 1
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schematisch angedeutet ist. Jenseits der Eindringtiefe ist der Brechungsindex wieder auf den ursprünglichen Wert n2
abgefallen.
In Figur 2 ist eine optische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In der Küvette 6
befindet sich auf einem Träger 7 das strahlungsempfindliche Material 2, das als Ausgangsmaterial für die Herstellung
der optischen Elemente dient.. Die Küvette 6 ist ganz mit Dijodmethan, das einen sehr hohen Brechungsindex besitzt,
(n^ =1,74 für Λ = 633nm) als Kontaktflüssigkeit gefüllt.
Die von links durch die Küvettenwandung einfallende ebene monochromatische Welle 1 wird an der Grenzfläche des
strahlungsempfindlichen Materials 2 zur Kontaktflüssigkeit 3 totalreflektiert. Durch die Belichtung des strahlungsempfindlichen
Materials mit der auftretenden Oberflächenwelle 5 wird eine Schicht mit geändertem Brechungsindex erzeugt, die als
dielektrischer Dünnschicht-Wellenleiter im optischen Bereich wirkt. Da die Querabmessungen dieses Wellenleiters unkritisch
sind, wurden entsprechende Masken bzw. Blenden nicht mit eingezeichnet.
In Figur 3 wird zusätzlich zur Welle 1 eine zu ihr kohärente homogene Welle 8 senkrecht eingestrahlt. Die Welle 8 dringt
in das Medium 2 ein und interferiert mit der Oberflächenwelle, die als Folge der Totalreflexion der Welle 1 auftritt. Die
resultierende Interferenzstruktur 9 erstreckt sich aus diesem Grund ebenfalls nur über die Eindringtiefe der Oberflächenwelle.
Man erhält also in diesem Teilabschnitt eine Schicht mit periodisch variierendem Brechungsindex. In dem angrenzenden
Bereich 10, in dem nur die Oberflächenwelle vorhanden ist, wird wieder eine Schicht mit kontinuierlich geändertem Brechungs
index erzeugt. Die gesamte Anordnung stellt dann einen Gitterkoppler mit anschließendem optischem Wellenleiter dar.
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Durch geeignete Wahl der Amplituden der beiden interferenz
Oberflächenwellen kann man auch erreichen, daß die Wellenleiterstruktur
sich in größere Tiefe der Schicht erstreckt als die Interferenzstruktur.
Eine andere Anordnung zur Herstellung eines optischen Gitterkopplers
mit anschließendem Wellenleiter ist in Figur 4 dargestellt. In diesem Pail treffen zwei zueinander kohärente
elDene monochromatische Wellen 11, 12 auf die Grenzfläche
zwischen den beiden Medien auf und werden beide totalreflektiert. |
Im strahlungsempfindlichen Medium interferieren dann die beiden zugehörigen Oberflächenwellen und erzeugen die Interferenzstruktur
9. In dem anschließenden Bereich 10 ist nur die zur Welle 11 gehörende Oberflächenwelle 9 vorhanden und
erzeugt dort wieder eine kontinuierliche änderung des Brechungsindexes. Das gesamte optische Element besteht also wieder
aus einer der Interferenzstruktur 9 entsprechenden periodischen Phasenstruktur, die als Gitterkoppler wirkt und einem
daran anschließenden Wellenleiter.
,1
Last man die beiden Wellen 11 und 12 nicht von derselben Seite
einfallen, sondern von entgegengesetzten Seiten, so erhält man eine Interferenzstruktur mit wesentlich höherer Ortsfrequai ζ. i
Diese besitzt zwar im allgemeinen einen anderen Beugungswirkungsgrad, hat aber den Vorteil, daß keine höheren Beugungsordnungen
auftreten.
Beispiele für strahlungsempfindliche Materialien, die als
Ausgangsmaterial für die Herstellung von dielektrischen Wellenleitern dienen.
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Eine hochempfindlichefeinkörnige Silberbromid-Jodid-Photoschicht
vom Typ Agfa-Gevaert Scienta 8E75 wurde in der Anordnung .gemäß Figur 2 mit einer Oberflächenwelle belichtet.
Als Lichtquelle diente in diesem Fall ein He-Ne-Laser. Das
belichtete Material wurde dann folgender photographischer Verarbeitung unterzogen:
1.) Vorhärtung der Emulsion durch eine spezielle, 10 Minuten dauernde Badbehandlung. Das Bad hatte dabei
folgende Zusammensetzung: 10 g Na2CO,, 50 g Na2SO^,
40 cnr5 Benzotriazol, (0,5 ioige alkoholische Lösung),
mit Wasser auf 1 1 aufgefüllt, Zusatz von 5 cm^/l Formalin kurz vor dem Gebrauch.
2.) 2 Minuten Spülen in Wasser.
3.) 5 Minuten Entwicklung in Agfa-Gevaert-Entwickler G3P5.
2.) 2 Minuten Spülen in Wasser.
3.) 5 Minuten Entwicklung in Agfa-Gevaert-Entwickler G3P5.
4.) Fixieren.
5.) Spülen.
6.) Bleichen.
7.)'5 Minuten Spülen.
5.) Spülen.
6.) Bleichen.
7.)'5 Minuten Spülen.
8.) Successive Badbehandlung in 50 tigern, 75 tigern und
90 frLgem Alkohol, jeweils 2 Hinuten. 9.) Lufttrocknung.
Das Bleichbad bestand dabei aus 2 Komponenten: Bleichbad A: 120 g CuSO4, 7,5 g K3r und 150 g Zitronensäure
in 1 1 Wasser.
Bleichbad B: 1 Teil H2O2 (30 %ige Lösung) in 7 Teilen
Wasser.
Bei einer Gesamtbelichtung von weniger als 100 /uW sec era""2
wurden die belichteten Schichten 12 Minuten lang in einer 1:1-Mischung der Bleichbäder A und B gebleicht. Bei einer
Gesamtbelichtung von mehr als 100 /uW see cm"2 wurden die
belichteten Schichten 6 Minuten lang im Bleichbad A und Minuten in einer 1:1-Mischung von A und B behandelt. Diese
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Vorkehrung erwies sich als notwendig, da bei starken Expositionen Teile der Emulsion durch H2O2 beschädigt wurden.
Die physikalische Wirkung der Bleichung besteht darin, daß die Absorptionsstruktur, die aus metallischem Silber besteht,
in eine aus AgBr bestehende Phasenstruktur umgewandelt wird. Der Brechungsindex der ÄgBr-3chicht liegt wesentlich höher
als der Brechungsindex der Emulsion.
Schichten mit verbesserter Homogenität erhält man, wenn die photographischen Platten vor der Belichtung in einer
Wasserdampfatmosphäre behandelt werden. Dabei werden mechanische
Spannungen in der Emulsion stark reduziert.
Photopolymere sind ebenfalls als Ausgangsmaterial geeignet.
Insbesondere wurden Polyvinylalkohol oder Copolymerisate davon mit Erfolg verwendet, die Vinylalkoholeinheiten in polymerisier ter Form enthalten,wobei in Seitenketten lichtempliche Zimtsäure·
gruppierungen oder Acidgruppen angeordnet sind. Solche Polymerisate sind z. B. eingehend beschrieben in den deutschen
Patentschriften 1 099 732, 1 067 219, 1 O63 802, oder den J
amerikanischen Patentschriften 1 965 710, 1 973 493 und
2 063 348. Strahlungsempfindliche Systeme mit Acidgruppen
sind in den deutschen Patentschriften 1 053 782, 1 079 949, 1 079 950 und 1 285 306 beschrieben.
Eine schwach gehärtete 20 /a dicke, klare Gelatineschicht,
die auf einer Glasplatte angeordnet ist, wird durch 5 Minuten langes Behandeln mittels einer 7 %igen Lösung von Ammonium-
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dichromat bei Zimmertemperatur sensibilisiert »und anschließend
im Dunkeln getrocknet. Die so hergestellten Chromat-Gelatineschichten
werden dann gemäß Figur 2 mit einer Oberflächenwelle bestrahlt. Als Lichtquelle muß in diesem Fall ein
Krypton- oder Argon-Laser verwendet werden. Das belichtete Material wird dann in einem Quellhärtüngsbad behandelt, das zugleich eine Desensibilisierung bewirkt.
Krypton- oder Argon-Laser verwendet werden. Das belichtete Material wird dann in einem Quellhärtüngsbad behandelt, das zugleich eine Desensibilisierung bewirkt.
Eine geeignete Methode zur Quellhärtung wird z.B. von L.H. Lynn,
Applied Optics, Vol. 8, Nr. 5, Seite 963 - 966 beschrieben.
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Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung integrierter optischer Elemente, insbesondere von Wellenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß
eine an die Oberfläche angrenzende Schicht eines strahlungsempfindlichen Materials mit einer oder mehreren elektromagnetischen
Oberflächenwellen bestrahlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine während oder nach der Belichtung durchgeführte
physikalische oder chemische Verarbeitung der Brechungsindex der belichteten Schicht verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenwellen mit Hilfe der Totalreflexion erzeugt
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsempfindliches Material eine normale photographische
Silberhalogenidschicht verwendet wird, in der in bekannter Weise eine Phasenstruktur erzeugt wird. |
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsempfindles Material Photopolymere (Photore-.
sist) verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsempfindliches Material Photochrome -verwendet
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als strahlungsempfindliches Material Chromat-Gelatine
verwendet wird.
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8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet.r
daß in einem Teilabschnitt des strahlungsempfindlichen
Materials der Oberflächenwelle eine homogene VTelle überlagert
wireLj, so daß in diesem Teilabschnitt eine Interferenzstruktur
entsteht«
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Teilabschnitt des strahlungsernpfindlichen Ilaterials der ersten Oberflächenwelle eine zweite Oberflächenwelle
überlagert wird» so daß in diesem Teilabschnitt eine
Interferenzstrtiktur entsteht.
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Priority Applications (7)
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Family Applications (1)
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