DE69033555T2 - Flacher optischer Wellenleiter aus Kunststoff - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf optische Kunststoffwellenleiter und insbesondere auf einen planaren optischen Kunststoffwellenleiter, der als optische Komponente wie etwa als Optokoppler oder Multiplexer zur optischen Übermittlung oder Bildübertragung verwendbar ist.
• Als Grundmaterial für optische Komponenten oder optische Fasern werden im allgemeinen anorganische Stoffe wie etwa Kieselglas und Mehrkomponentenglas verwendet, da ihr Ausbreitungsverlust gering und ihr Übertragungsband breit ist.
• Andererseits wurden auch optische Komponenten entwickelt, die als Grundmaterial Kunststoff verwenden. Derartige optische Kunststoffmaterialien weisen verglichen mit anorganischen optischen Materialien eine gute Fertigungsflexibilität und Steuerbarkeit der optischen Eigenschaften auf, weswegen ihnen in der Erwartung, daß optische Wellenleiter mit verhältnismäßig guten Eigenschaften hergestellt werden könnten, die leicht zu verwenden seien, viel Beachtung geschenkt wurde. Ein planarer optischer Kunststoffwellenleiter, der z. B. aus PMMA, Polycarbonat oder Polystyrol besteht, ist in der DE-A-38 42 480 offenbart.
• Typische Techniken zur Herstellung planarer optischer Kunststoffwellenleiter schließen eine selektive Photo polymerisation und die Nutzung eines lichtempfindlichen bzw. photosensitiven Harzes ein.
• Das selektive Photopolymerisationsverfahren ist eine Technik, bei der in einem Polymer enthaltene Monomere selektiv polymerisiert werden, um die Brechzahl zu ändern und einen musterartigen optischen Wellenleiter herzustellen. Im einzelnen wird zunächst auf einer Polymerlage oder einem Polymersubstrat, das aus einem transparenten Polymer wie etwa Polycarbonat besteht und ein niedrigbrechendes Monomer wie etwa Methylacrylat enthält, eine Maske mit einem vorbestimmten Muster aufgebracht, wobei die Lage oder das Substrat durch die Maske hindurch mit ultravioletter Strahlung bestrahlt wird, um das niedrigbrechende Monomer in Übereinstimmung mit dem Muster zu polymerisieren. Der photopolymerisierte Abschnitt des Polymers weist eine niedrigere Brechzahl als die Polymermatrix auf. Die Polymerlage wird dann unter Vakuum erwärmt, um Monomere zu entfernen, die nicht reagiert haben und in nicht mit ultravioletter Strahlung belichteten Bereichen zurückgeblieben sind. Infolgedessen besteht der unbelichtete Abschnitt des Polymers nur aus dem hochbrechenden Polymer. Auf diese Weise kann eine gemusterte Lage erhalten werden, bei der in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Muster ein als Kern dienender hochbrechender Abschnitt ausgebildet ist. Schließlich wird die gemusterte Lage in Sandwichanordnung mit einem aus einem niedrigbrechenden Polymer bestehenden Mantel umgeben, um ein konkretes optisches Teil zu erzeugen.
• Dagegen wird gemäß dem Verfahren, bei dem ein photosensitives Polymer Verwendung findet, ein photosensitives Polymer musterweise mit Licht belichtet, um selektiv eine Vernetzung herbeizuführen, worauf eine Entwicklung folgt, um unbelichtete Abschnitte zu entfernen und ein Kernmuster zu erhalten. Im einzelnen wird zunächst ein als Mantel dienendes Polymer durch Eintauchen oder Schleuderbeschichten auf ein Substrat aufgebracht. Auf die gleiche Weise wie vorstehend, wird auf den Mantel ein Polymer wie etwa Polyurethan aufgebracht, das ein photosensitives Vernetzungsmittel enthält. Dann wird das beschichtete Polymer durch eine gemusterte Maske hindurch mit ultravioletter Strahlung bestrahlt, um das Polymer selektiv zu vernetzen. Als nächstes wird das Substrat in ein Lösungsmittel getaucht, um unbelichtete Abschnitte zu entfernen und einen Kern mit einem vorbestimmten Muster zu erhalten. Schließlich wird der Kern durch Eintauchen, Schleuderbeschichten oder Aufschichten mit einem Mantelmaterial versehen, um einen Mantel auszubilden und dadurch ein konkretes optisches Teil zu erzeugen.
• Damit in der Praxis verwendbare optische Teile erzielt werden, die einen geringen optischen Verlust zeigen, muß ein Film zur Übertragung von Licht eine gute Qualität besitzen und müssen durch Mikrobehandlung ausgebildete Muster eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Das heißt, es ist vorzuziehen, daß das Material des Films an sich einen so geringen optischen Verlust wie möglich zeigt und die Dicke und Brechzahl des aus dem Material hergestellten Films mit hoher Genauigkeit gesteuert werden können. Außerdem sind die Glattheit der Seitenwände des Kerns, die Abmessungsstabilität und die Reproduzierbarkeit wichtige Faktoren für die Mikrobehandlung während der Wellenleiterfertigung.
• Für den Fall, daß ein Kunststoffmaterial verwendet wird, zeigen optische Teile, die durch das selektive Photopolymerisationsverfahren oder das Verfahren erzeugt wurden, bei dem ein photosensitives Polymer Verwendung findet, bei einer kürzeren Wellenlänge (0,48 bis 1,1 um) einen verhältnismäßig geringen optischen Verlust. Allerdings zeigen sie wegen stärkerer harmonischer Wellen von Infrarotschwingungsabsorptionen, die durch die den Kunststoff bildenden Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bedingt sind, in einem infraroten Bereich (1,3 bis 1,55 um), der derzeit bei optischer Übermittlung genutzt wird, einen hohen optischen Verlust von bis zu 0,5 bis 10 dB/cm und sind daher für die praktische Verwendung nicht geeignet.
• Vom Gesichtspunkt der Fertigungsflexibilität optischer Wellenleiter sind beide Verfahren unkomplizierter und einfacher als die Herstellung optischer Glaswellenleiter. Jedoch weist das selektive Photopolymerisationsverfahren unter anderem das Problem auf, daß sich der Gehalt des Monomers abhängig von den Verdampfungsbedingungen des Lösungsmittels ändert, so daß sich eine leichte Schwankung der Brechzahldifferenz ergibt. Das ein photosensitives Polymer verwendende Verfahren weist dagegen das Problem auf, daß die Auflösung schlecht ist und auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters aufgrund eines Schwellens bei der Entwicklung leicht Vorsprünge und Vertiefungen auftreten, Dies sind die Ursachen dafür, daß die herkömmlichen optischen Kunststoffwellenleiter hohe optische Verluste zeigen.
• Angesichts dessen erfolgte die Erfindung, um die vorstehend beschriebenen Nachteile bei den herkömmlichen optischen Kunststoffwellenleitern zu mindern.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen planaren optischen Wellenleiter aus Kunststoff zu schaffen, der in dem sichtbaren bis infraroten Bereich einen geringen optischen Verlust zeigt.
• Die Erfindung stellt einen planaren optischen Kunststoffwellenleiter bereit, wie er in Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche angegeben ist.
• Die obigen und weitere Aufgaben, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen aus der folgenden Beschreibung ihrer Ausführungsbeispiele.
• Die Fig. 1A bis 1G zeigen schematische Querschnittansichten eines erfindungsgemäßen optischen Kunststoffwellenleiters, anhand der ein als Beispiel dienendes Verfahrens zur Herstellung dessen erläutert wird.
• Fig. 2 zeigt einen Kennverlauf, der die Abhängigkeit der Brechzahl von Polyacrylat von dessen Fluorgehalt darstellt.
• Fig. 3 zeigt einen Kennverlauf, der die Abhängigkeit des optischen Verlustes des erfindungsgemäßen optischen Kunststoffwellenleiters von der Wellenlänge darstellt.
• Der wichtigste Faktor in bezug auf den optischen Verlust von Kunststoffen sind stärkere harmonische Wellen einer Infrarotschwingungsabsorption, die durch die den Kunststoff bildenden Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bedingt ist: Bei dem erfindungsgemäßen optischen Kunststoffwellenleiter sind die Wasserstoffatome in der Struktur des Kunststoffs gegen ein Halogenatom wie etwa Fluor, Chlor und Iod oder ein Deuteriumatom ausgetauscht, um die durch die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bedingten stärkeren harmonischen Wellen zu verringern und sie zu einem Bereich längerer Wellenlänge zu verschieben. Der Austausch ermöglicht eine Senkung des optischen Verlusts des Materials an sich und führt dazu, daß die unter Verwendung des Materials erzeugten optischen Wellenleiter ein hohes Leistungsvermögen aufweisen.
• Solche wie vorstehend beschriebenen optischen Wellenleiter können erzeugt werden, indem ein Substrat zur Verfügung gestellt wird, auf dem Substrat ein Kunststofffilm ausgebildet wird, auf dem Kunststofffilm ferner durch Lithographie ein Muster aus Fotoresist ausgebildet wird und das Substrat in einem sauerstoff- oder fluorhaltigem Gas unter Verwendung des gemusterten Fotoresists als Maske trockengeätzt wird. Im einzelnen wird auf eine Polymerlage ein Fotoresist aufgebracht und mit chemisch aktiver Strahlung wie etwa ultravioletter Strahlung, Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlung musterweise oder bildweise bestrahlt. Als nächstes wird die Polymerlage in ein Lösungsmittel getaucht, um sie zu entwickeln und ein Muster zu erhalten. Das sich ergebende Muster wird als Maske verwendet, während das darunter liegende Polymer in einem fluor- oder sauerstoffhaltigen Gas einer reaktiven Trockenätzung unterzogen wird, um das Muster auf die Polymerlage zu übertragen.
• Auch wenn sich die erfindungsgemäßen optischen Kunststoffwellenleiter durch eine Kombination der vorstehend beschriebenen Schritte erzeugen lassen, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1G ein typischer Behandlungsvorgang beschrieben. Zunächst wird auf ein Substrat 1 ein Mantelmaterial aufgebracht, um einen lagenartigen Mantel 2 auszubilden (Fig. 1A). Dann wird auf den Mantel 2 ein aus einem organischen Polymer bestehendes Kernmaterial aufgebracht, um eine Kernschicht 3 auszubilden (Fig. 1B). Als nächstes wird, wie in Fig. 1C dargestellt ist, auf die Kernschicht 3 ein auf Silikon basierendes Fotoresist 4 aufgebracht und durch eine Maske 5 hindurch mit chemisch aktiver Strahlung belichtet, worauf eine Entwicklung folgt, um ein Maskenmuster zu erhalten (Fig. 1D). Des weiteren wird unter Verwendung von Sauerstoffgas eine reaktive Ionenätzung durchgeführt, um die Kernschicht 3 in einem von dem gemusterten Abschnitt verschiedenen Bereich zu entfernen (Fig. 1E). Das Fotoresist wird abgelöst (Fig. 1F) und darauf ein Mantelmaterial 7 aufgebracht oder aufgeschichtet, das die gleiche Zusammensetzung wie der Mantel 2 aufweist (Fig. 1G).
• Dieses Herstellungsverfahren ist insofern vorteilhaft, als durch den Einsatz einer reaktiven Ionenätzung mit weniger Schritten und unter hervorragender Reproduzierbarkeit Muster mit hoher Auflösung und hoher Abmessungsstabilität erhalten werden können, die steile und glatte Seitenwände aufweisen.
• Vom Gesichtspunkt einer Massenherstellung ist es außerdem vorteilhaft, ein Verfahren zu verwenden, bei dem auf einem Substrat mit einem großen Oberflächenbereich mehrere optische Wellenleiter gleichzeitig hergestellt und unter Verwendung eines Stempels oder einer Metallform angefertigt werden.
• Wie weithin bekannt ist, sind optische Wellenleiter so gestaltet, daß sich Licht unter Nutzung einer Brechzahldifferenz zwischen dessen Kern und Mantel in dem Kern ausbreitet. Im Fall von optischen Kunststoffwellenleitern kann die Brechzahldifferenz erzeugt werden, indem bei dem Kern beziehungsweise Mantel unterschiedliche Arien von Kunststoffen verwendet werden. Alternativ kann die Brechzahl des Kerns und/oder Mantels durch den Fluorgehalt in dem Polymer oder den Polymeren gesteuert werden. Fig. 2 stellt die Änderung der Brechzahl eines Copolymers aus deuteriertem Heptafluorisopropylmetacrylat mit einem deuterierten Metylmetacrylat in Abhängigkeit von dem Fluorgehalt in dem Polymer dar. In Fig. 2 bezeichnen die Linien A und B die Brechzahlen für Licht bei Wellenlängen von 0,6328 um beziehungsweise 1,5230 um. In beiden Fällen nehmen die Brechzahlen mit zunehmenden Fluorgehalt linear ab.
• Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel erläutert.
Ausführungsbeispiel
• Planare optische Kunststoffwellenleiter, mit jeweils einem Mantelabschnitt, der aus einem Polyacrylat mit einer sich wiederholenden Einheit besteht, die durch die folgende Formel dargestellt wird:
• wobei jedes der Symbole X&sub1; und X&sub2; ein Deuteriumatom oder ein Halogenatom ist; R&sub1; aus der aus einem Deuteriumatom, einer CD3-Gruppe und einem Halogenatom bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und R&sub2; eine halogenierte oder deuterierte Alkylgruppe der Formel CnY2n-1 ist (wobei Y ein Halogenatom oder ein Deuteriumatom und n eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist),
• und einem Kernabschnitt, der aus einem deuterierten oder halogenierten Polystyrolharz mit einer sich wiederholenden Einheit besteht, die durch
• dargestellt wird, wobei Y ein Halogenatom oder Deuterium ist.
• Tabelle 3 zeigt den chemischen Aufbau der als Kerne und Mäntel des optischen Wellenleiters verwendeten Polymere und ihre optischen Verluste gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 um. Der optische Verlust jedes optischen Wellenleiters war mit nur 0,08 bis 0,09 dB/cm sehr gering. Tabelle 3
• Wie vorstehend beschrieben ist, weist der erfindungsgemäße planare optische Kunststoffwellenleiter gegenüber herkömmlichen Wellenleitern in einem Bereich von sichtbarem Licht bis nahem Infrarot überlegene Lichtübertragungskennwerte auf.
• Dadurch, daß der erfindungsgemäße planare optische Kunststoffwellenleiter insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 650 bis 1600 nm einen geringen optischen Verlust zeigt, kann er verwendet werden, um mit einem Mehrkomponentenglas oder einer optischen Siliziumoxidfaser verbunden zu werden, ohne von einer Licht/Elektrizität-Umwandlung oder Elektrizität/Licht- Umwandlung Gebrauch zu machen. Es ergibt sich daher der Vorteil, daß optische Teile, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters erzeugt wurden, zum Aufbau hochökonomischer optischer Signalübertragungssysteme wie etwa lokaler Netzwerke und dergleichen verwendet werden können.
• Zwar wurde die Erfindung ausführlich anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, doch ergibt sich aus dem Vorstehenden für Fachleute, daß Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung in ihrem breiteren Zusammenhang abzuweichen. Die beigefügten Patentansprüche sind in der Absicht verfaßt worden, Änderungen und Abwandlungen abzudecken, wie sie in den Bereich der Erfindung fallen.

Claims (1)

1. Planarer optischer Wellenleiter aus Kunststoff, mit einem Kernabschnitt (3), der aus einem eine Brechzahl aufweisenden Polystyrol besteht, und einem Mantelabschnitt (2, 7), der den Kernabschnitt (3) umgibt und aus einem Polymer besteht, das eine Brechzahl aufweist, die kleiner als die Brechzahl des Kernabschnitts (3) ist, wobei der planare optische Wellenleiter aus Kunststoff dadurch gekennzeichnet ist, daß der Mantelabschnitt (2, 7) aus einem deuteriertem und/oder halogeniertem Polyacrylat besteht, das zumindest eine der durch die Formel (I) dargestellten Arten einer sich wiederholenden Einheit aufweist:

wobei jedes der Symbole X&sub1; und X&sub2; ein Deuteriumatom oder ein Halogenatom ist; R&sub1; aus der aus einem Deuteriumatom, einer CD&sub3;-Gruppe und einem Halogenatom bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und R&sub2; eine halogenierte oder deuterierte Alkylgruppe der Formel CnY2n+1 ist, bei der Y ein Halogenatom oder ein Deuteriumatom und n eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, und wobei darüber hinaus Deuterium- und Halogenatome in der sich wiederholenden Einheit nebeneinander bestehen, und

das Polystyrol des Kernabschnitts (3) ein Polystyrol ist, das eine sich wiederholende Einheit aufweist, die dargestellt wird durch

wobei Y ein Halogenatom oder Deuterium ist.