DE2109687C3

DE2109687C3 - Verfahren zur Herstellung von integrierten optischen Elementen

Info

Publication number: DE2109687C3
Application number: DE19712109687
Authority: DE
Inventors: Juergen 5672 Leichlingen Geldmacher; Heinrich Prof. Dr. 5090 Leverkusen Nassenstein
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1971-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1979-11-08
Also published as: DE2109687A1; FR2128497A1; CA979263A; DE2109687B2; CH546958A; IT954896B; GB1387483A; FR2128497B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integrierten optischen Elementen, insbesondere w von dielektrischen optischen Wellenleitern. Unter optischen Elementen werden hierbei die von der Mikrowellentechnik her bekannten Bauelemente, wie z. B. Wellenleiter (Hohlleiter), Koppler, Hybride, Resonatoren, verstanden. Die Hersteälung 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 t>o 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 μ ausbreiten soll. Zur Herstellung von optischen Elemen ten 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).

Es sind Verfahren zur Herstellung solcher dielektrischer Wellenleiter bekanntgeworden, 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 erfindungsgemäC in einfacher Weise optische Elemente, insbesondere dielektrische Wellenleiter, herstellen kann, wenn ein strahlungsempfindliches Material mit einer elektromagnetischen Oberflächenwelle bestrahlt wird und entweder unmittelbar durch die Bestrahlung oder durch eine während oder nach der Bestrahlung durchgeführte physikalische oder chemische Verarbeitung an der Oberfläche des Materials eine dünne Schicht mit veränderlichem Brechungsindex erzeugt wird. Dabei ist der Begriff »Oberflächenwellen« in folgender Weise definiert:

In einem isotropen, nicht absorbierenden Medium mit dem Brechungsindex η können homogene elektromagnetische Wellen der Frequenz ν nur mit Wellenlängen

existieren (c = Lichtgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium). Eine Welle mit derselben Frequenz v, aber einer Wellenlänge λ_χ<λ_η und entsprechender Phasengeschwindigkeit c_s<c_n 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 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.

In jedem Falle erstreckt 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 Verarbeitung 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, 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, Seiten 468—473,1970. Insbesondere wird auf die Fig. 3 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 strahlungsempfindliches 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 CO₂- 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 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. Es zeigt

Fig.) eine schematische Darstellung der Oberflächenwelle bei Totalreflexion,

F i g. 2 eine optische Anordnung für Bestrahlung eines Materials mit Oberflächenwellen und

Fig. 3 bzw. 4 Beispiele für die Herstellung von optischen Kopplern.

In Fig. 1 trifft die von links kommende ebene monochromatische Welle 1 auf die Grenzfläche des optisch dünneren strahlungsempfindlichen Mediums 2 mit dem Brechungsindex /J₂ zu dem optisch dichteren Medium 3 mit dem Brechungsindex Π\. Liegt, der Einfallswinkel φι der Welle 1 über dem Grenzwinkel q>_gr für Totalreflexion, so tritt Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien auf (totalreflektierte Welle 4). Im dünneren Medium tritt dann die Oberflächenwelle 5 auf, deren Amplitude mit zunehmendem Abstand Z von der Grenzfläche schnell

ίο abklingt Ihre Eindringtiefe dliegt 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 F i g. 1 schematisch angedeutet ist Jenseits der Eindringtiefe ist der Brechungsindex wieder auf den ursprünglichen Wert n₂ abgefallen.

In F i g. 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,

(/I₁ = 1,74 für λ = 633 nm)

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 Fig.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 Brechungsindex erzeugt. Die gesamte Anordnung stellt dann einen Gitterkoppler mit anschließendem optischem Wellenleiter dar.

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 F i g. 4 dargestellt. In diesem Fall treffen zwei

bo zueinander kohärente ebene 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

b5 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.

Läßt man die beiden Wellen 11 und 12 nicht von derselben Seite einfallen, sondern von entgegengesetzten Seiten, so erhält man eine Interferenzstruktur mit wesentlich höherer Ortsfrequenz. 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.

Beispiel 1

Eine hochempfindliche feinkörnige Silberbromid-Jodid-Photoschicht vom Typ Agfa-Gevaert Scienta 8E75 wurde in der Anordnung gemäß Fig.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 Na₂CO₃, 50 g Na₂SO₄, 40 cm³ Benzotriazol (0,5%ige alkoholische Lösung), mit Wasser auf 1 I aufgefüllt, Zusatz von 5 cm³/l Formalin kurz vor dem Gebrauch.

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.

8. Successive Badbehandlung in 50%igem, 75%igem und 90%igem Alkohol, jeweils 2 Minuten.

9. Lufttrocknung.

Das Bleichbad bestand dabei aus 2 Komponenten:

Bleichbad A:

120 g CuSO₄, 7,5 g KBr und 150 g Zitronensäure in 1 1 Wasser.

Bleichbad B:

1 Teil H₂0₂(30°/oige Lösung) in 7 Teilen Wasser.

Bei einer Gesamtbelichtung von weniger als 100 μW see cm-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 μW sec cm-² wurden die belichteten Schichten 6 Minuten lang im Bleichbad A und 6 Minuten

^r> in einer 1:1-Mischung von A und B behandelt. Diese Vorkehrung erwies sich als notwendig, da bei starken Expositionen Teile der Emulsion durch H₂O₂ beschädigt wurden.

Die physikalische Wirkung der Bleichung besteht

ι ο darin, daß die Absorptionsstruktur, die aus metallischem Silber besteht, in eine aus AgBr bestehende Phasenstruktur umgewandelt wird. Der Brechungsindex der AgBr-Schicht liegt wesentlich höher als der Brechungsindex der Emulsion.

ι^r) 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

Beispiel 2

Photopolymere sind ebenfalls als Ausgangsmaterial geeignet. Insbesondere wurden Polyvinylalkohol oder Copolymerisate davon mit Erfolg verwendet, die Vinylalkoholeinheiten in polymerisierter Form enthalten, wobei in Seitenketten lichtempfindliche Zimtsäuregruppierungen oder Acidgruppen angeordnet sind. Solche Polymerisate sind z. B. eingehend beschrieben in den deutschen Patentschriften 10 99 732, 10 67219,

3n 10 63 802 oder den amerikanischen Patentschriften 19 65 710,19 73 493 und 20 63 348. Strahlungsempfindliche Systeme mit Acidgruppen sind in den deutschen Patentschriften 10 53 782, 10 79 949, 10 79 950 und 12 85 306 beschrieben.

Beispiel 3

Eine schwach gehärtete, 20 μ dicke, klare Gelatineschicht die auf einer Glasplatte angeordnet ist wird durch 5 Minuten langes Behandeln mittels einer 7%igen Lösung von Ammoniumdichromat bei Zimmertemperatur sensibilisiert und anschließend im Dunkeln getrocknet Die so hergestellten Chromat-Geiatineschichien werden dann gemäß F i g. 2 mit einer Oberflächenwelle bestrahlt Als Lichtquelle muß in diesem Fall ein

4"> Krypton- oder Argon-Laser verwendet werden. Das belichtete Material wird dann in einem Quellhärtungsbad behandelt das zugleich eine Desensibilisierung bewirkt
Eine geeignete Methode zur Quellhärtung wird z. B.

so von LH. Lynn, Applied Optics, VoL8, Nr.5, Seiten 963—966, beschrieben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung integrierter optischer Elemente, insbesondere von dielektrischen optischen Wellenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß ein strahlungsempfindliches Material mit einer elektromagnetischen Oberflächenwelle bestrahlt wird und entweder unmittelbar durch die Bestrahlung oder durch eine während oder nach der Bestrahlung durchgeführte physikalische oder chemische Verarbeitung an der Oberfläche des Materials eine dünne Schicht mit veränderlichem Brechungsindex erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenwellen mit Hilfe der Totalreflexion erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsempfindliches Material eine normale photographische Silberhalogenidschicht verwendet wird,, in der in bekannter Weise eine Phasenstruktur erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsempfindliches Material Photopolymere (Photoresist) verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsempfindliches Material Photochrome verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsempfindliches Material Chromat-Gelatine verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teilabschnitt des strahlungsempfindlichen Materials der Oberflächen- j? welle eine homogene Welle überlagert wird, so daß in diesem Teilabschnitt eine llnterferenzstruktur entsteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teilabschnitt des strahlungsempfindlichen Materials der ersten Oberflächenwelle eine zweite Oberflächenwelle überlagert wird, so daß in diesem Teilabschnitt eine Interferenzstruktur entsteht.

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