WO2004095149A2 - Verfahren zur herstellung von integrierten optischen elementen sowie optisches element - Google Patents

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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/15—Function characteristic involving resonance effects, e.g. resonantly enhanced interaction

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing integrated optical elements for guiding and manipulating light waves, in particular waveguides and microresonators, from organic and inorganic crystals and optical polymers, in particular from organic single crystals, which have nonlinear-optical or electro-optical properties, through direct structuring using femtosecond laser ablation. Furthermore, the invention relates to optical elements that can be produced using such a method.
  • Essential elements that are required for this are electro-optical modulators, electrically and optically controllable switching distributors (cross connect) and wavelength-selective optocouplers or filters.
  • electro-optical modulators electrically and optically controllable switching distributors (cross connect) and wavelength-selective optocouplers or filters.
  • cross connect electrically and optically controllable switching distributors
  • wavelength-selective optocouplers or filters In order to meet the requirements of future ultra-fast networks with a wide bandwidth, it is therefore very important and of great interest to manufacture materials with large optical non-linearities and electro-optical properties in order to optimize the properties of these optical elements.
  • specially developed organic materials can be far superior to the most commonly used inorganic materials today, such as the standard lithium niobate (LiNbO), because of their large and fast non-linear properties, which are a consequence of the purely electronic nature of the non-linearities.
  • LiNbO lithium niobate
  • the organic crystal DAST (4-N, N-dimethylamino-4'N'-methyl stibazolim tysolate) is one of the most interesting materials for integrated optical applications due to its large nonlinear and electro-optical properties in the telecommunications wavelength range [1].
  • the structuring of DAST is very difficult, however, because standard photolithographic processes cannot be used due to the solubility of the crystal in water or common organic solvents. All previously known and used methods for structuring DAST have disadvantages. Waveguides have recently been structured in DAST, on the one hand by a "serially-graft" process [2] and on the other hand by bleaching [3].
  • the "serially-graft" process is very complex and consists of many different manufacturing steps, which makes it particularly suitable for the production of more complex structures, e.g. Microresonators, seems unsuitable.
  • the refractive index of DAST is changed locally by illumination with visible or ultraviolet light so that a waveguide structure is created.
  • bleaching also changes the crystal composition, which also changes the nonlinear optical properties.
  • the aim of this invention is to provide a method with which integrated-optical elements made of electro-optical materials, in particular of organic crystals, such as DAST, can be microstructured precisely without the Damage or destroy the crystal structure or the substrate material under the structured microstructures.
  • a method for the direct, contactless structuring of integrated-optical elements made of electro-optical materials, in particular organic crystals, which have nonlinear-optical or electro-optical properties is presented by means of femtosecond laser ablation.
  • Ablation 'here means structuring by means of irradiation with laser light to such an intensity that ablation processes are brought about.
  • Laser light with pulse lengths of less than 500 fs is preferred, For example, even less than 300 fs, 250 fs, 200 fs, 100 fs or even 10 fs pulse length used.
  • Another advantage of the method according to the invention is the precise production of optical elements with smooth surfaces, which are necessary for coupling in and for guiding light waves as losslessly as possible.
  • the invention relates to optical elements which can be produced in this way and can be used, for example, for guiding and manipulating light waves, in particular waveguides for guiding and manipulating light waves and microresonators for filtering and coupling simultaneously guided light waves of different wavelengths.
  • the method according to the invention is particularly advantageous for the structuring of nonlinear-optical, organic crystals.
  • the structuring of such crystals is difficult to do with conventional methods, as mentioned at the beginning. It has now surprisingly been found that the method according to the invention enables the precise production of fine and smooth structures of such crystals, that is to say that if the radiation only interacts briefly with the material, the material is only leached without crystal lattice vibrations occurring, for example, with a time delay which could locally damage the crystal structure.
  • the deposited energy therefore remains essentially limited to the volume element defined by the focus area of the laser beam.
  • the method according to the invention uses a focused femtosecond laser beam for structuring electro-optical materials, in particular non-linear-optical, organic crystals.
  • the short interaction time of, for example, less than 250 femtoseconds of the laser pulse with the material to be structured, defines the entire energy of the pulse by exciting electronic states of the organic molecules and by ionizing electrons in one that is well defined by the laser focus and small volume element deposited. It was found that it is not important whether the wavelength used is strongly or only weakly absorbed by the material.
  • the intensity of the light pulse in the focus is so strong that electronic states can be excited very effectively by multiphoton absorption or atoms and molecules can be ionized several times.
  • Good ablation results have been achieved with a wavelength of at least 400 nm and at most 1500 nm, preferably in the ranges from 500 nm to 620 nm or from 750 to 800 nm. If the energy density now exceeds a certain limit within this volume element, the volume is leached , ie its molecular components separate from the crystal lattice.
  • the physical mechanisms for this ablation are on the one hand breaking chemical bonds and the strong excitation of electronic states up to the generation of a local high temperature plasma, which leads to the evaporation of the material.
  • optical or electro-optical can be obtained on the surface of organic crystals by scanning the laser beam or by scanning the crystal under the fixed focus of the laser beam Precisely create structures that can be used to guide and manipulate light waves.
  • these are waveguides for loss-free guidance of light waves, electro-optical modulators for phase or amplitude modulation of these light waves, and microresonators for filtering and coupling simultaneously guided light waves of different wavelengths, as well as combinations of all these elements.
  • the method according to the invention can be used to produce precise optical elements with smooth surfaces, which are necessary for coupling in and for guiding light waves with as little loss as possible.
  • FIG. 1 The representation of an embodiment of the inventive method. 2 shows an embodiment of the method according to the invention using the specific example of the structuring of a linear waveguide.
  • Fig. 3 The representation of an embodiment of the inventive method using the specific example of the structuring of a microresonator.
  • Fig. 4 The representation of an embodiment of the inventive method using the specific example of the structuring of a microresonator which has two linear
  • Waveguide couples together.
  • Fig. 5 coupling of two linear waveguides by several connected in series
  • Microresonators as a special example of an integrated optical element produced according to the invention.
  • Fig. 6 filter for several simultaneously guided wavelengths as a special example of an integrated optical element produced according to the invention.
  • Fig. 7 Optical coupler as a special example of an integrated optical element produced according to the invention.
  • 8 Mach-Zehnder interferometer as a special example of an integrated optical element for optical signal modulation produced according to the invention.
  • FIG. 1A The principle of the method according to the invention is shown in FIG. 1A.
  • a femtosecond laser beam 1 with a suitable wavelength and with a suitable energy density required for non-destructive ablation is transmitted through a lens or a lens 2 focused 3 and the focus 4 itself adjusted so that it comes to lie just below the surface 5 of the organic crystal 6 to be structured.
  • the organic crystal 6 is then moved in one or more of the three spatial axes, ie the x-axis 7, the y-axis 8 and the z-axis 9, with respect to the focus 4 with a suitable scanning speed.
  • Such a translation can be carried out, for example, using a computer-controlled XYZ displacement table with sub-micrometer accuracy. This is not shown in the picture.
  • the laser beam or the focus 4 can also be shifted with respect to the crystal 6 by suitable deflection.
  • suitable scanning - if necessary several times to generate structure depths - and suitable ablation of material, any structures can be formed on the surface of the organic crystal.
  • IB shows the principle of ablation in detail using an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the method according to the invention using the specific example of the structuring of a linear waveguide.
  • FIG. 3 shows the application of the method according to the invention using the specific example of the structuring of a microresonator.
  • material 13 originally present is ablated or removed from the crystal 6 in such a way that a microresonator 18 on the ablated surface 15 stop.
  • the wall thickness of the microresonator is typically a few micrometers, the diameter is on the order of approximately 10 to 50 micrometers.
  • 4 shows the application of the method according to the invention using the specific example of the structuring of two waveguides 19 and 20 which are coupled to one another by a microresonator 18. The structuring takes place analogously to the arrangements shown in FIGS. 2 and 3.
  • the wavelength of the light guided in the waveguide 20 corresponds to a wavelength for which the microresonator fulfills a constructive resonance condition
  • part of the energy of the light wave from the waveguide 20 via the microresonator 18 into the second waveguide 23 is coupled through the evanescent fields transmitted and exits at 23.
  • the resonance condition of the microresonator is ideally only fulfilled for a very narrow-band wavelength range
  • a wavelength filter can be implemented in this way.
  • the resonance condition for example by electro-optically changing the refractive index in the microresonator, the central wavelength of the resonance condition can be variably set in a certain wavelength range.
  • the arrangement shown in FIG. 4 is therefore suitable for selecting a specific wavelength from a band of simultaneously guided wavelengths, provided that the resonance condition of the microresonator is narrower than the distance between two adjacent wavelengths from the band of simultaneously guided waves.
  • FIG. 5 shows a top view of two linear waveguides 24 and 25 which are coupled to one another via a plurality of identical microresonators connected in series. This coupling of several microresonators makes the resonance condition for the transmissible wavelength much sharper and the bandwidth of the filter much narrower.
  • 6 shows a top view of a possible arrangement for the simultaneous and selective filtering of different wavelengths from a band of simultaneously guided wavelengths.
  • Several microresonators 29 are coupled to a linear waveguide, which have different dimensions and thus also different resonance conditions for different wavelengths.
  • a microresonator is a suitable resonance condition for a wavelength from a band of simultaneously guided wavelengths 30, which are in the linear Waveguide 28 are coupled, so the individual wavelengths by electro-optically detuning the resonance condition of the resonators (e.g. by applying an electric field across the resonators and the associated change in the refractive index, which is not shown in Fig. 6) individually and simultaneously filtered, transmitted in waveguide 31 and coupled out at 32.
  • an optical coupler is shown in a top view in FIG. 7.
  • Two waveguides 33 and 34 run side by side in a certain area at a very close distance, so that energy can be transmitted from one waveguide to the other. Whether and how much energy is transferred depends on the phase mismatch between the two waveguides, which are changed, for example, as shown in FIG. 7, by applying an electric field across electrodes 39 and 40 and the change in the refractive index induced thereby in one or in both waveguides can. For example, it is possible to couple light 35 or 36 into one of the outputs 37 and 38 depending on the phase mismatch.
  • a Mach-Zehnder interferometer is shown in supervision in FIG. 8.
  • a waveguide 41 is split into two arms 42 and 43, which are brought together again after a certain distance. If light 44 enters the waveguide, constructive or destructive interference occurs at point 45 depending on the phase difference between the two arms 42 and 43, and accordingly light 45 can be coupled out of the waveguide or not.
  • the phase difference between the two waveguide arms can now be set as desired, e.g. as shown in Fig. 8, by applying an electric field across electrodes 47 and 48 and thereby causing the change in refractive index in one or both waveguides.
  • the present invention offers a simple method for the precise structuring of electro-optical elements from organic crystals and polymers which have large and, above all, fast, non-linear and electro-optical properties. Such elements are indispensable for the further development and improvement of integrated optics and optical data transmission, which is why the present invention represents a particular enrichment in the relevant technical field. Credentials:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Strukturierung elektro-optischer Elemente aus elektro-optischen Materialien, bspw. nichtlinear-optischen, organischen Kristallen, insbesondere aus dem organischen Salz DAST, durch Femtosekunden-Laserablation. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Anwendungen solchermassen hergestellter elektro-optischer Elemente.

Description

Verfahren zur Herstellung von integrierten optischen Elementen sowie optisches Element
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung integriert-optischer Elemente zur Führung und Manipulation von Lichtwellen, insbesondere Wellenleiter und Mikroresonatoren, aus organischen und anorganischen Kristallen und optischen Polymeren, insbesondere aus organischen Einkristallen, die nichtlinear-optische bzw. elektro-optische Eigenschaften besitzen, durch direkte Strukturierung mittels Femtosekunden-Laser- Ablation. Ferner bezieht sich die Erfindung auf optische Elemente, die mit einem solchen Verfahren herstellbar sind.
Der Kapazitätsbedarf der Kommunikationsnetze hat in den letzten Jahren stetig zugenommen, sowohl bezüglich übertragener Datenraten und Übertragungsgeschwindigkeit, als auch geographischer Abdeckung. Zunehmend werden elektronische Komponenten durch entsprechende optische ersetzt, da letztere eine sehr viel grössere Bandbreite erlauben. Hinsichtlich langer Distanzen ist optische Datenübertragung heute Standard. Die derzeitigen Bemühungen zur Vergrösserung der Kapazitäten der Datenübertragungsnetze zielen im wesentlichen darauf ab, optische Datenübertragung und -manipulation auch für kurze Distanzen zu implementieren und integrierte-op tische Elemente zu entwickeln.
Wesentliche Elemente, die dafür benötigt werden, sind elektro-optische Modulatoren, elektrisch und optische steuerbare Schaltverteiler (engl.: cross connect) und wellenlängenselektive Optokoppler bzw. Filter. Um den Anforderungen zukünftiger ultraschneller Netzwerke mit breiter Bandbreite zu entsprechen, ist es daher sehr wichtig und von grossem Interesse, Materialien mit grossen optischen Nichtlinearitäten und elektro- optischen Eigenschaften herzustellen, um die Eigenschaften dieser optischen Elemente zu optimieren. Speziell entwickelte organische Materialien können in dieser Hinsicht den heutzutage meist verwendeten inorganischen Materialien, wie z.B. dem standardmässig verwendetem Lithium Niobat (LiNbO ), wegen ihrer grossen und schnellen nichtlinearen Eigenschaften, die eine Folge der rein elektronischen Natur der Nichtlinearitäten sind, weit überlegen sein. Zwei unterschiedliche Gruppen organischer Materialien wurden in den vergangenen Jahren umfangreich untersucht: elektro-optische Polymere und Einkristalle. Polymere sind potientiell sehr billig, besonders geeignet zur Herstellung dünner Filme und bieten darüber hinaus eine relativ grosse Freiheit zur unabhängigen Optimierung der optischen und mechanischen Eigenschaften. Ihre aktiven nichtlinearen optischen Eigenschaften sind allerdings limitiert durch die maximale Konzentration der nlo Phore, d.h. der molekularen Einheiten, welche elektrooptische Eigenschaften besitzen, ihre räumliche Verteilung und durch Relaxation ihrer Ausrichtung. Organische Einkristalle hingegen haben bessere optische Eigenschaften und eine grössere Stabilität, sind aber schwierig herzustellen, vor allem einkristalline dünne Filme, die kompatibel zu Fertigungsverfahren der Mikroelektronik sind.
Der organische Kristall DAST (4-N, N-dimethylamino-4'N'-methyl stibazolim tysolate) ist wegen seiner grossen nichtlinearen und elektro-optischen Eigenschaften im Telekommunikationswellenlängenbereich eines der interessantesten Materialien für integriert-optische Anwendungen [1]. Die Strukturierung von DAST ist jedoch sehr schwierig, da standard- photolithographische Prozesse wegen der Löslichkeit des Kristalles in Wasser oder gebräuchlichen organischen Lösungsmitteln nicht angewendet werden können. Alle bisher bekannten und verwendeten Methoden zur Strukturierung von DAST weisen Nachteile auf. Zwar wurden unlängst Wellenleiter in DAST strukturiert, zum einen durch einen "serially-graft" Prozess [2], zum anderen durch Bleichen [3]. Jedoch ist der "serially- graft" Prozess sehr komplex und besteht aus vielen unterschiedlichen Fabrikationsschritten, was ihn besonders für die Herstellung komplexerer Strukturen, wie z.B. Mikroresonatoren, ungeeignet erscheinen lässt. Beim Bleichen hingegen wird der Brechungsindex von DAST lokal durch Beleuchtung mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht so verändert, dass eine Wellenleiterstruktur entsteht. Allerdings ändert sich durch das Bleichen auch die Kristallzusammensetzung, wodurch sich andererseits auch die nichtlinearen optischen Eigenschaften ändern.
Die Strukturierung organischer Kristalle mittels Beleuchtung durch eine Maske wurde in [4] vorgeschlagen.
Ziel dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem integrierte- optische Elemente aus elektro-optischen Materialien, insbesondere aus organischen Kristallen, wie bspw. aus DAST, präzise mikrostrukturiert werden können ohne dabei die Kristallstruktur bzw. das Substratmaterial unter den strukturierten MikroStrukturen zu beschädigen oder zu zerstören.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur direkten, kontaktlosen Strukturierung integriert-optischer Elemente aus elektro-optischen Materialien, insbesondere organischen Kristallen, die nichtlinear-optische bzw. elektro-optische Eigenschaften besitzen, mittels Femtosekunden-Laser- Ablation vorgestellt.Unter 'Laser- Ablation' versteht man hier die Strukturierung mittels Bestrahlung durch Laserlicht in einer solchen Intensität, dass Ablationsprozesse bewirkt werden. Mit 'Femtosekunden- Laser-Ablation' ist die Ablation mittels Laserlicht gemeint, welches gepulst ist, und zwar in Pulsen mit einer Pulslänge von kleiner als lps (1 fs = 10"12 s). Vorzugsweise wird Laserlicht mit Pulslängen kleiner als 500 fs, bspw. sogar kleiner als 300 fs, 250 fs, 200 fs, 100 fs oder sogar 10 fs Pulslänge verwendet.
Vorteil des erfmdungsgemässen Verfahrens ist, dass bei der Verwendung von Femtosekunden-Laserpulsen (1 fs = 10"15 s) zur Materialstrukturierung durch die kurze Dauer der Wechselwirkung das zu bearbeitende Material nur ablauert bzw. strukturiert, nicht aber seine Struktur im nicht ablatierten Volumen beschädigt oder zerstört wird. Ein weiterer Vorteil des erfmdungsgemässen Verfahrens ist die präzise Herstellung optischer Elemente mit glatten Oberflächen, welche zur Einkopplung und zur möglichst verlustfreien Führung von Lichtwellen nötig sind.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf solchermassen herstellbare optische Elemente, die bspw. zur Führung und Manipulation von Lichtwellen verwendbar sind, insbesondere Wellenleiter zum Führen und zur Manipulation von Lichtwellen und Mikroresonatoren zum Filtern und Koppeln von simultan geführten Lichtwellen verschiedener Wellenlänge. Besonders vorteilhaft ist das erfmdungsgemässe Verfahren für die Strukturierung von nichtlinear-optischen, organischen Kristallen. Die Strukturierung solcher Kristalle ist wie eingangs erwähnt mit konventionellen Verfahren nur schwierig machbar. Es wurde nun überraschend gefunden, dass das erfmdungsgemässe Verfahren die präzise Herstellung feiner und glatter Strukturen solcher Kristalle ermöglicht, d.h. dass bei einer nur kurzen Wechselwirkung der Strahlung mit dem Material das Material lediglich ablauert wird, ohne dass bspw. mit zeitlicher Verzögerung Kristall-Gitterschwingungen eintreten würden, welche die Kristallstruktur lokal beschädigen könnten. Die deponierte Energie bleibt daher im Wesentlichen auf das durch den Fokusbereich des Laserstrahls definierte Volumenelement beschränkt.
Das erfmdungsgemässe Verfahren verwendet einen fokussierten Femtosekunden- Laserstrahl zur Strukturierung von elektro-optischen Materialien, insbesondere von nichtlinear-optischen, organischen Kristallen. Im Falle von nichtlinear-optischen Kristallen wird durch die kurze Wechselwirkungszeit von bspw. weniger als 250 Femtosekunden des Laserpulses mit dem zu strukturierendem Material die ganze Energie des Pulses durch Anregung elektronischer Zustände der organischen Moleküle und durch Ionisation von Elektronen in einem durch den Laserfokus wohl definierten und kleinen Volumenelement deponiert. Es wurde gefunden, dass dabei nicht wesentlich ist, ob die verwendete Wellenlänge stark oder nur schwach vom Material absorbiert wird. Selbst bei geringer Einphotonen-Absorption ist die Intensität des Lichtpulses im Fokus so stark, dass dort elektronische Zustände sehr effektiv durch Multiphotonen-Absorption angeregt bzw. Atome und Moleküle mehrfach ionisiert werden können. Gute Ablationsresultate wurden erzielt mit einer Wellenlänge von mindestens 400 nm und höchstens 1500 nm, vorzugsweise in den Bereichen von 500 nm bis 620 nm bzw. von 750 bis 800 nm. Überschreitet nun die Energiedichte einen bestimmten Grenzwert innerhalb dieses Volumenelementes, so wird das Volumen ablauert, d.h. seine molekularen Bestandteile lösen sich vom Kristallgitter ab. Physikalische Mechanismen für diese Ablation sind einerseits das Brechen chemischer Bindungen und die starke Anregung von elekronischen Zuständen bis hin zur Erzeugung eines lokalen Plasmas hoher Temperatur, welches zur Verdampfung des Materials führt. Andererseits führt die, durch die starken Lichtintensitäten verursachte Mehrfachionsation und die damit verbundene starke Coulombabstossung der remanenten atomaren bzw. molekularen Systeme zum explosionsartigen Ausstoss dieses ionisierten Materials. In der Regel ist eine Kombination all dieser Mechanismen für die Ablation des Materials verantwortlich und die genaue physikalische Beschreibung sehr komplex und schwierig, sowie abhängig vom Material. Allen Mechanismen ist jedoch gemein, dass die Kristallstruktur des zurückbleibenden, nicht ablatierten organischen Materials nicht beschädigt oder zerstört wird, wodurch die herausragenden elektro-optischen Eigenschaften erhalten bleiben.
Mit Hilfe des erfmdungsgemässen Verfahrens lassen sich so durch Scannen des Laserstrahls, bzw. durch Scannen des Kristalles unter dem festgehaltenen Fokus des Laserstrahls, an der Oberfläche von organischen Kristallen optische bzw. elektro-optische Strukturen präzise herstellen, die zur Führung und Manipulation von Lichtwellen verwendet werden können. Insbesondere sind dies Wellenleiter zur verlustfreien Führung von Lichtwellen, elektro-optische Modulatoren zur Phasen- oder Amplitudenmodulation dieser Lichtwellen, sowie Mikroresonatoren zum Filtern und Koppeln von simultan geführten Lichtwellen verschiedener Wellenlänge, sowie Kombinationen all dieser Elemente.
Weiter können durch das erfmdungsgemässe Verfahren präzise optische Elemente mit glatten Oberflächen hergestellt werden, welche zur Einkopplung und zur möglichst verlustfreien Führung von Lichtwellen nötig sind.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 Die Darstellung der einer Ausführungsform der erfmdungsgemässen Methode. Fig. 2 Die Darstellung einer Ausführungsform der erfmdungsgemässen Methode am speziellen Beispiel der Strukturierung eines linearen Wellenleiters. Fig. 3 Die Darstellung einer Ausfuhrungsform der erfmdungsgemässen Methode am speziellen Beispiel der Strukturierung eines Mikroresonators. Fig. 4 Die Darstellung einer Ausfuhrungsform der erfmdungsgemässen Methode am speziellen Beispiel der Strukturierung eines Mikroresonators welcher zwei lineare
Wellenleiter miteinander koppelt. Fig. 5 Kopplung zweier lineare Wellenleiter durch mehrere hintereinander geschaltete
Mikroresonatoren als spezielles Beispiel eines erfindungsgemäss hergestellten integriert-optischen Elementes. Fig. 6 Filter für mehrere simultan geführte Wellenlängen als spezielles Beispiel eines erfindungsgemäss hergestellten integriert-optischen Elementes. Fig. 7 Optischer Koppler als spezielles Beispiel eines erfindungsgemäss hergestellten integriert-optischen Elementes. Fig. 8 Mach-Zehnder Interferometer als spezielles Beispiel eines erfindungsgemäss hergestellten integriert-optischen Elementes zur optischen Signalmodulation.
Das Prinzip der erfmdungsgemässen Methode ist in Fig. 1A dargestellt. Ein Femtosekunden-Laserstrahl 1 mit geeigneter Wellenlänge und mit, für zerstörungsfreie Ablation benötigter, geeigneter Energiedichte wird durch eine Linse bzw. ein Objektiv 2 fokussiert 3 und der Fokus 4 selbst so justiert, dass er knapp unterhalb der zu strukturierenden Oberfläche 5 des organischen Kristalles 6 zu liegen kommt. Der organische Kristall 6 wird sodann in einer oder mehreren der drei Raumachsen, d.h. der x- Achse 7, der y-Achse 8 und der z-Achse 9 bezüglich des Fokuses 4 mit einer geeigneten Scan-Geschwindigkeit bewegt. Eine solche Translation kann z.B. durch einen Computergesteuerten XYZ-Verschiebetisch submikrometer-genau durchgeführt werden. Dies ist nicht in der Abbildung gezeigt. Alternativ kann auch der Laserstrahl bzw. der Fokus 4 hinsichtlich des Kristalles 6 durch geeignete Ablenkung verschoben werden. Durch geeignetes Scannen - ggf. mehrfach, um Strukturtiefen zu erzeugen - und geeignete Ablation von Material können so beliebige Strukturen an der Oberfläche des organischen Kristalles geformt werden.
Fig. IB zeigt detailliert das Prinzip der Ablation anhand eines Ausführungsbeispiels der erfmdungsgemässen Methode. Durch das Fokussieren des Laserstrahles 3 überschreitet die Energiedichte des Laserpulses in einem gewissen Bereich 10 nahe der Fokusebene 11 den Schwellenwert für Ablation und Material wird abgetragen. Der fokussierte Strahl 3 wird dabei so justiert, dass die Fokusebene 11 in einem Abstand 12 unterhalb der Kristalloberfläche 5 zu liegen kommt. Dies führt zu besserer Qualität der zurückbleibenden ablatierten Ober- und Seitenflächen.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfmdungsgemässen Methode am speziellen Beispiel der Strukturierung eines linearen Wellenleiters. Durch geeignetes Scannen des Kristalls 6 bezüglich des Fokus 4 des Laserstrahls 3 entlang der drei Raumachsen 7, 8 und 9 (bzw. umgekehrt) wird ursprünglich vorhandenes Material 13 vom Kristall 6 so ablatiert bzw. entfernt, dass ein linearer Wellenleiter 14 zwischen der beidseitig ablatierten Fläche 15 stehen bleibt. Über die beiden Endflächen 16 und 17 kann Licht in den Wellenleiter ein- bzw. ausgekoppelt werden.
In Fig. 3 ist die Anwendung der erfmdungsgemässen Methode am speziellen Beispiel der Strukturierung eines Mikroresonators gezeigt. Durch geeignetes Scannen des Kristalls 6 bezüglich des Fokus 4 des Laserstrahls 3 entlang der drei Raumachsen 7, 8 und 9 (bzw. umgekehrt) wird ursprünglich vorhandenes Material 13 vom Kristall 6 so ablatiert bzw. entfernt, dass ein Mikroresonator 18 auf der ablatierten Fläche 15 stehen bleibt. Die Wandstärke des Mikroresonators beträgt typischerweise einige wenige Mikrometer, der Durchmesser ist in der Grössenordnung von ca. 10 - 50 Mikrometer. Fig. 4 zeigt die Anwendung der erfmdungsgemässen Methode am speziellen Beispiel der Strukturierung zweier Wellenleiter 19 und 20, die durch einen Mikroresonator 18 miteinander gekoppelt sind. Die Strukturierung erfolgt dabei analog zu den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Anordnungen. Wird nun Licht 21 in einen der beiden Wellenleiter 20 eingekoppelt, so wird es in dem Wellenleiter geführt und tritt am anderen Ende 22 wieder aus. Stimmt die Wellenlänge des im Wellenleiter 20 geführten Lichtes allerdings mit einer Wellenlänge überein, für die der Mikroresonator eine konstruktive Resonanzbedingung erfüllt, so wird durch Kopplung über die evaneszenten Felder ein teil der Energie der Lichtwelle vom Wellenleiter 20 über den Mikroresonator 18 in den zweiten Wellenleiter 23 übertragen und tritt bei 23 aus. Da die Resonanzbedingung des Mikroresonators idealerweise nur für einen sehr schmalbandigen Wellenlängenbereich erfüllt ist, lässt sich auf diese Weise ein Wellenlängenfilter realisieren. Durch Abstimmen der Resonanzbedingung, z.B. durch elektro-optische Änderung des Brechungsindex im Mikroresonator, lässt sich die Zentralwellenlänge der Resonazbedingung in einen gewissen Wellenlängenbereich variabel einstellen. Damit ist die in Fig. 4 gezeigte Anordnung geeignet zur Selektion einer bestimmten Wellenlänge aus einem Band simultan geführter Wellenlängen, sofern die Resonanzbedingung des Mikroresonators schmalbandiger ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenlängen aus dem Band der simultan geführter Wellen.
Darüberhinaus lassen sich mit dem erfmdungsgemässen Verfahren zahlreiche unterschiedliche integrierte-optische Elemente strukturieren, wie in Fig. 5-8 in Aufsicht auf die strukturierte Oberfläche des Kristalles gezeigt.
Fig. 5 zeigt in Aufsicht zwei lineare Wellenleiter 24 und 25, die über mehrere gleiche, hintereinander geschaltete Mikroresonatoren miteinander gekoppelt sind. Durch diese Kopplung mehrer Mikroresonatoren wird die Resonanzbedingung für die übertragbare Wellenlänge sehr viel schärfer und die Bandbreite des Filters damit sehr viel schmaler. In Fig. 6 ist in Aufsicht eine mögliche Anordnung zur gleichzeitigen und selektiven Filterung verschiedener Wellenlängen aus einem Band simultan geführter Wellenlängen gezeigt. An einen linearen Wellenleiter sind mehrere Mikroresonatoren 29 gekoppelt, welche unterschiediche Dimensionen und damit auch unterschiedliche Resonzbedingungen für unterschiedliche Wellenlängen besitzen. Werden diese Resonanzbedingungen so abgestimmt, dass jeweils ein Mikroresonator eine passende Resonazbedingung für eine Wellenlänge aus einem Band simultan geführter Wellenlängen 30, welche in den linearen Wellenleiter 28 eingekoppelt werden, besitzt, so können die einzelnen Wellenlängen durch elektro-optisches Verstimmen der Resonanzbedingung der Resonatoren (z.B. durch Anlegen eines elektrischen Feldes über den Resonatoren und der damit verbundenen Änderung des Brechungsindexes, was nicht gezeigt ist in Fig. 6) einzeln und simultan gefiltert, in Wellenleiter 31 übertragen und bei 32 ausgekoppelt werden. Als weiteres Beispiel für ein erfindungsgemäss hergestelltes integriert-optisches Element ist in Fig. 7 ein optischer Koppler in Aufsicht gezeigt. Zwei Wellenleiter 33 und 34 verlaufen in einem gewissen Bereich in sehr nahem Abstand nebeneinander, so dass Energie von einem Wellenleiter in den anderen übertragen werden kann. Ob und wieviel Energie übrtragen wird hängt ab von der Phasenfehlanpassung zwischen den beiden Wellenleitern, welche z.B. wie in Fig. 7 gezeigt durch Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden 39 und 40 und der damit induzierten Änderung des Brechungsindexes in einem oder in beiden Wellenleitern verändert werden kann. So ist es z.B. möglich Licht 35 oder 36 in Abhängigkeit der Phasenfehlanpassung in einen der Ausgänge 37 und 38 zu koppeln.
Als letztes Beispiel für ein erfindungsgemäss hergestelltes integriert-optisches Element ist in Fig. 8 ein Mach-Zehnder Interferometer in Aufsicht gezeigt. Ein Wellenleiter 41 wird in zwei Arme 42 und 43 aufgespalten, die nach einer gewissen Strecke wieder zusammengeführt werden. Tritt Licht 44 in den Wellenleiter ein, so kommt es am Punkt 45 in Abhängigkeit der Phasendifferenz zwischen den beiden Armen 42 und 43 zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz und entsprechend kann Licht 45 aus dem Wellenleiter ausgekoppelt werden oder nicht. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Wellenleiterarmen kann nun beliebig eingestellt werden, z.B. wie in Fig. 8 gezeigt, durch Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden 47 und 48 und der damit induzierten Änderung des Brechungsindexes in einem oder in beiden Wellenleitern.
Wie gezeigt bietet die vorliegende Erfindung ein einfaches Verfahren zur präzisen Strukturierung von elektro-optischen Elementen aus organischen Kristallen und Polymeren, welche grosse und vor allem schnelle, nichtlineare und elektro-optische Eigenschaften besitzen. Solche Elemente sind unabdingbar für die weitere Entwicklung und Verbesserung der integrierten Optik und der optischen Datenübertragung, weshalb vorliegende Erfindung eine besondere Bereicherung in dem einschlägigen, technischen Gebiet darstellt. Referenzen:
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2. K. Komatsu, K. Takayama, B. Cai, T. Kaino, IEICE Trans. Electron. E85-C, 1258 (2002)
3. L. Mutter, U. Meier, M. Jazbinsek, M. Zgonik, Ch. Bosshard, P. Günter, submitted to J. Appl. Phys. (2003), to be published
4. Ch.P. Yakymyshyn, Y.S. Liu, R. Guida, Patent Document US 5,396,362

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung von intergrierten optischen Elementen aus elektro- optischen Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente durch direkte Strukturierung mittels Femtosekunden-Laser- Ablation hergestellt werden.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektro-optischer Kristall zur Strukturierung verwendet wird.
3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein organischer, elektro-optischer Kristall zur Strukturierung verwendet wird
4. Verfahren gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein elektro-optisches Polymer zur Strukturierung verwendet wird.
5. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als organischer Kristall DAST (4-N, N-dimethylamino-4'N'-methyl stibazolim tysolate) verwendet wird.
6. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als organischer Kristall M2-MDB (4-{2-[l-{2-hydroxyethyl)-4-pyridylidene]-ethylidene}-cyclo- hexa-2,5-dien-l-one) - (methyl 2,4-dihydroxybenzoate) verwendet wird.
7. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein organisches Polymer zur Strukturierung verwendet wird.
8. Verfahren gemäss der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen der erzeugten integrierten optischen Elemente durch Scannen des ablatierenden Femtosekunden-Laserstrahls geschrieben werden.
9. Verfahren gemäss der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der erzeugten integrierten optischen Elemente durch Scannen des zu ablatierenden Kristalls geschrieben wird.
10. Verfahren gemäss der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ablation ein Femtosekunden-Laserstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 250 nm und 1500 nm verwendet wird.
11. Verfahren gemäss der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Femtosekunden-Laserstrahl eine Pulslänge kleiner als 500 fs besitzt.
12. Verfahren gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Femtosekunden- Laserstrahl eine Pulslänge kleiner als 100 fs, bspw. kleiner als 10 fs besitzt.
13. Verfahren gemäss der Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Femtosekunden-Laserstrahl eine Energiedichte grösser als 1 mJ/cm2 besitzt.
14. Verfahren gemäss der Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Femtosekunden-Laserstrahl eine Energiedichte kleiner als 400 mJ/cm2 besitzt.
15. Optisches Element, herstellbar mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend elektro-optisches Material, welches an einer Oberfläche eine durch Ablation beigebrachte spezifische Struktur aufweist.
16. Optisches Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur so ausgebildet ist, dass das optische Element einen Wellenleiter bildet.
17. Optisches Element nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur so ausgebildet ist, dass das optische Element einen Mikroresonator bildet.
18. Optisches Element nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Mikroresonatoren in Kombination mit einem oder mehreren Wellenleitern vorhanden sind.
19. Optisches Element nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Mikroresonatoren in Kombination mit einem oder mehreren Wellenleitern vorhanden und so angeordnet sind, dass Lichtwellen aus den Wellenleitern in den oder die Mikroresonatoren, bzw. von den Mikroresonatoren in einen Wellenleiter gekoppein werden können.
20. Optisches Element nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur so ausgebildet ist, dass mehrere simultan geführte Lichtwellen verschiedener Wellenlänge mittels Kopplung über einen ödere mehrere Mikroresonatoren aus den Wellenleitern in den oder die Mikroresonatoren , bzw. von den Mikroresonatoren in einen Wellenleiter gekoppein werden können.
21. Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 20, gekennzeichnet durch einen durch die Struktur gebildeten optischen Koppler.
22. Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 21, gekennzeichnet durch ein durch die Struktur gebildetes Mach-Zehnder Interferometer.
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