INTEGRIERT OPTISCHE SINGLE-MODE-KOPPLER, HERGESTELLT DURCH LASERINDUZIERTE BRECHUNGSINDEXMODIFIKATION IN PMMA

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1 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, 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 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

2 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 Excimerlaser- Bestrahlung 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 UV- Lithographie 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-Luft- Grenzschicht 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 Y- Verzweiger sowie einem 3dB- 2

3 Interferenzkoppler mittels einer 3D- Beam-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 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. Abb. 3: Nahfeldintensität des 3-dB- Kopplerausgangs 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

4 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, (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) [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, [5] C. Wochnowski, S Metev, G.Sepold: UV-Laser-Assisted Modification of the optical properties of Polymethylmethacrylate Appl. Surf. Sc (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 4

5 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. 4 th Int. Symp. on Laser Precision Microfabrication, München