Herstellung und Charakterisierung optischer Wellenleiter auf PMMA

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1 Herstellung und Charakterisierung optischer Wellenleiter auf PMMA Zwischenbericht (Stand März 2002) von Prof. Dr. H. J. Brückner Studienort Emden Fachbereich Technik E - Mail: brueckner@fho-emden.de Bei diesem Projekt handelt es sich um ein aus Hochschulmitteln gefördertesvorhaben. Vorbemerkung Auf dem Gebiet der optischen Kommunikationstechnik nimmt die Bedeutung integriert optischer Bauelemente für den Einsatz der Signalverarbeitung immer stärker zu. Nachdem bereits seit mehreren Jahren Komponenten für die Weitbereichsübertragung qualitativ auf sehr hohem Niveau hergestellt werden, was allerdings auch mit sehr hohen Entwicklungs- und Produktionskosten verbunden ist, werden in Zukunft zunehmend Komponenten für den Massenmarkt benötigt. Als deutliche Kostenfaktoren sind hierbei sowohl die verwendeten Materialsysteme, im Allgemeinen ternäre und quaternäre Halbleiterverbindungen, als auch die aufwändigen Herstellungsprozesse anzuführen. Eine kostengünstigere Alternative dazu stellen beispielsweise optoelektronische Chips auf Glas- oder Kunststoffbasis dar /1/. Neben dem wesentlich günstigeren Ausgangsmaterial bieten sie weiterhin den Vorteil, dass eine Kopplung mit optischen Fasern auf Grund der angepassten Modenfelder einfacher ist als bei Halbleitern. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich zusätzlich, wenn die Materialien durch einfache Verfahren strukturiert werden können. Gerade bei PMMA lässt sich eine Strukturierung im UV-Bereich durch Beimischen fotoempfindlicher Substanzen bzw. durch direkte Belichtung mittels energiereicher UV-Strahlung erreichen /2,3/. Durch die UV-Strahlung werden im Wesentlichen chemische Bindungen lokal aufgebrochen und der Brechungsindex erhöht, was zur Strukturierung wellenleitender Kanäle genutzt wird. Kürzlich wurde durch Belichtung von transparentem Glas mit Femtosekunden Pulsen eines Ti:Al 2 O 3 Lasers die Herstellung wellenleitender Kopplerstrukturen demonstriert, wo ebenfalls die Erhöhung des lokale Brechungsindexes ausgenutzt wurde /4/. Ziel des von uns im zurückliegenden Berichtszeitraum durchgeführten Projekts war die Herstellung und Charakterisierung von wellenleitenden Strukturen auf PMMA-Basis, um dadurch gezielt kostengünstige integrierte Strukturen sowohl für den Telekommunikationsbereich um 1550 nm als auch für Sensoranwendungen im sichtbaren Spektralbereich realisieren zu können. 1

2 Experimentelle Ergebnisse Als Ausgangsmaterial für unsere Strukturen wurde kommerziell erhältliches PMMA der Firma Röhm mit der Bezeichnung Formmasse 7N in einer Schichtdicke von 3 mm verwendet. Die Belichtung des PMMA wurde in Kooperation mit Prof. Neu, Teilprojekt Laser als Werkzeug des Forschungsschwerpunkts, durchgeführt. Hierzu stand ein KrF Excimer Laser der Firma Lamda Physics, Modell COMPEX 205, mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer max. Pulsrate von 50 Hz zur Verfügung. Zwei unterschiedliche Belichtungsverfahren wurden zur Herstellung einfacher, gerader Wellenleiterstrukturen untersucht: Zuerst erfolgte die Belichtung der PMMA-Oberfläche punktweise und durch Verschieben der Struktur um einen Teil des Strahldurchmessers, welcher in der Größenordnung von etwa 10 µm lag. Vorteile dieser Methode sind die direkte Belichtung ohne Maske, wobei beliebige Strukturen durch Verfahren des Probentisches eingeschrieben werden können. Durch die Fokussierung kann die gesamte Energie des Strahls ausgenutzt werden. Nachteile dieser Methode sind allerdings die recht hohe Belichtungszeit von mehreren Stunde pro Probe, je nach Größe, da die Energiedichte für die Belichtung nicht zu hoch sein darf. Darüber hinaus zeigte sich, dass mit dieser Methode eine ausreichende Homogenität der Strukturen nur mit sehr hohem Aufwand erreicht werden könnte. Diese Belichtungsmethode wurde daher nicht weiter verfolgt. Als wesentlich geeignetere Methode erwies sich die Bestrahlung der Probe mit aufgeweitetem Strahl und Benutzung einer Metallmaske, die die nicht zu belichteten Teile der Probe abschattete. Um die geeigneten Belichtungsparameter zu ermitteln, wurden zunächst großflächig Proben von ca. 10 mm mal 5 mm Fläche belichtet und der Brechungsindex der modifizierten Probe mit Hilfe eines Abbeschen Weißlichtrefraktometers bestimmt. Obwohl die erzielten Ergebnisse aus verschiedenen Gründen mit großen Ungenauigkeiten behaftet sind, lassen sich die unten dargestellten Aussagen klar treffen und stehen mit Ergebnissen aus der Literatur qualitativ im Einklang. Refractive index change 0,0016 0,0014 0,0012 0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0,0000-0, Number of pulses Abb. 1: Änderung des Brechungsindex als Funktion der Pulszahl bei einer Belichtung mit einer Energiedichte von 22 mj/cm 2 und einer Belichtungsfrequenz von 5 Hz. Die Änderung des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Pulszahl bei konstanter Energiedichte bzw. Leistungsdichte der belichtenden Strahlung ist in Abb. 1 dargestellt. Die Änderung des Brechungsindex steigt mit der deponierten Energiedosis an bis ein Maximalwert bei entsprechender Parameterkombination erreicht ist. Bei weiterer Belichtung sinkt die Indexänderung wieder, wobei sogar bei hohen Dosen eine Verringerung des Brechungsindex im Vergleich zur unbelichteten Probe erreicht wird. Die Anzahl der Pulse, bei der die maximale Brechungsindexänderung erreicht wird, ist nicht konstant und hängt von der Energiedichte der Strahlung bei gegebener Pulsfrequenz ab. Darüber hinaus ist eine Abhängigkeit von der Pulsfrequenz zu erwarten, was im Detail allerdings nicht untersucht wurde. Bei nicht zu hoher Pulszahl nimmt die Brechungsindexvariation mit steigender Energiedichte kontinuierlich zu (Abb.2). 2

3 Refractive index change 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 bei einer Pulsfrequenz von 5 Hz Abb. 2: Brechungsindex als Funktion der Energiedichte und einer Pulszahl von , Fluence/ mj/cm^2 Basierend auf den ermittelten Parameterwerten wurden mehrere gerade Wellenleiterstrukturen auf PMMA Substrat belichtet. Als Maske wurden dabei verstellbare Metallblenden verwendet, mit deren Hilfe Wellenleiter mit Strukturbreiten von 7 bis ca. 50 µm realisiert wurden. Für die anvisierten Zwecke sind Singlemode- Wellenleiter von Hauptinteresse. Aus diesem Grunde werden im Folgenden kurz die Ergebnisse eines Singlemode-Wellenleiters der Breite von 7µm dargestellt, der bei einer Energiedichte von 30 mj/cm 2, einer Pulszahl von 4000 und 5 Hz belichtet wurde. In den Wellenleiter wurde auf der Stirnseite jeweils Licht der Wellenlänge 670 nm bzw nm mit Hilfe einer Singlemode Glasfaser ohne Linsen direkt eingekoppelt. Die ausgangsseitig austretende Strahlung wurde mittels eines Mikroskopobjektivs auf eine Kamera abgebildet und somit das Nahfeld des Wellenleiters sichtbar gemacht. Zur Kalibrierung wurde jeweils das gaussförmige Modenfeld der Glasfaser aufgenommen. In Abb.3 ist die Intensitätsverteilung des Grundmodes im Wellenleiterquerschnitt für 1550 nm dargestellt. 3

4 Abb.3: Intensitätsverteilung im Nahfeld Grundmodes eines 7µm breiten Wellenleiters bei einer Wellenlänge von =1550 nm; Belichtung mit 30 J/cm2, 4000 Pulse, 5Hz a) a) Intensitätsverteilung in der Querschnittsfläche b) Intensitätsverteilung in horizontaler Richtung c) Intensitätsverteilung in vertikaler Richtung b) c) In horizontaler Richtung ist eine nahezu symmetrische Intensitätsverteilung zu erkennen, während in horizontaler Richtung eine deutliche Asymmetrie zu erkennen ist, die auf die asymmetrische Brechungsindexverteilung in senkrechter Richtung zurückzuführen ist. Als Fleckweite der Strahlung wird der Durchmesser bei 1/e 2 der maximalen Intensität in Analogie zur Fleckweite eines Gaußschen Strahls definiert. Experimentell ergeben sich hierbei Werte von 10.3 µm in horizontaler und 12.7 µm in vertikaler Richtung für die jeweiligen Fleckweiten. Simulationen der elektrischen Modenfelder Die Fleckweiten sind eine Funktion der Wellenleiterparameter und hängen sehr stark von den geometrischen Dimensionen, den Brechungsindizes sowie deren Verteilung ab. Bisher liegen keine Informationen zur Tiefe des Wellenleiters vor. Auf Grund theoretischer Modelle, basierend auf einer Absorption der belichtenden Strahlung im Substrat, ist eine abnehmende Indexverteilung im Wellenleiter zu erwarten /2/. Die aus den Abbeschen Refraktometermessungen ermittelten Werte stellen nur gemittelte Werte dar, die der lokalen Indexverteilung, insbesondere in größerer Tiefe, keine Rechnung tragen können. Zur Definition des wellenleitenden Kanals ist allerdings eine möglichst genaue Kenntnis der Indexverteilung notwendig. Um die notwendigen Informationen zu erhalten, wurden daher Rechnersimulationen zur Bestimmung des Modenfeldes des Wellenleiters durchgeführt und mit den experimentellen Daten verglichen. 4

5 Abb.4: Elektrische Feldverteilung des TE-Grundmodes eines 7µm breiten Wellenleiters mit exponentiell abfallendem Indexprofil in vertikaler Richtung, =1550 nm; n=0.005, 1/e-Tiefe 12µm a) a) Feldverteilung in der Querschnittsfläche b) Feldverteilung in horizontaler Richtung c) Feldverteilung in vertikaler Richtung b) c) Unter der vereinfachten Annahme, dass der Brechungsindex in vertikaler Richtung exponentiell abnimmt, lieferte der Vergleich der Feldsimulationen mit den experimentellen Daten für den hergestellten Wellenleiter eine maximale Brechungsindexdifferenz von n=0.005 sowie eine 1/e-Tiefe des Kanals von 12µm. Das bedeutet, dass die Indexdifferenz in 12 µm Tiefe auf den 1/e-Wert ihres Maximalwertes direkt an der PMMA-Luft Grenzfläche abgefallen ist. In horizontaler Richtung wird eine Stufenindexverteilung auf Grund der Maskenbelichtung angenommen. Die aus den Simulationen errechneten Werte stehen in Einklang mit den aus den Abbeschen Refraktometermessungen erhaltenen Werte. Darüber hinaus liefern unsere Simulationen zum ersten Male Werte für eine experimentell bestimmte Tiefe des Wellenleiters in PMMA durch UV-Belichtung. Eine weitere Bestätigung für die Konsistenz zwischen Experiment und Simulationen liefern die Ergebnisse, die mit Licht der Wellenlänge von 670 nm gemacht wurden. Für diese Wellenlänge wird der Wellenleiter mehrmodig. Die experimentell gefundene Modenstruktur steht im Einklang mit Ergebnissen aus oben beschriebener Simulation. Eine detaillierte Analyse dieses Multimode-Verhaltens muss weiterhin die Überlagerung von höheren Moden in der Simulation einschließen, was bisher noch nicht möglich war. Zum Abschluss wurde der theoretische Koppelwirkungsgrad bei Ankopplung mit einer Singlemodefaser, Modenfelddurchmesser 10 µm, für 1550 nm berechnet. Hier ergab sich ein Wert von über 93%, was einem Koppelverlust von nur 0.3 db entspricht und einen sehr guten Wert für praktische Anwendungen darstellt. Eine gute Koppeleffizienz ist auch auf Grund des experimentell beobachteten fast runden Flecks im Nahfeld zu erwarten. 5

6 Zusammenfassung und Schlussfolgerung Die Auswertung weiterer Strukturen lieferte folgendes Ergebnis: Energiedichte Pulszahl/ Frequenz Design-Breite Indexdifferenz n= 1/e-Tiefe Koppeleffizienz 30 mj/cm /5 Hz 7 µm µm mj/cm /2 Hz 11.2 µm µm 0.93 Wie bereits oben erwähnt, führt auf Grund des komplexen Belichtungsverhaltens von PMMA eine höherere deponierte Energiedosis nicht unbedingt zu einer höheren Indexvariation (Abb.1). Unabhängig davon ergeben sich unterschiedliche Tiefen des modifizierten Brechungsindexes für andere Belichtungsparameter, wobei keine direkte Korellation zwischen der maximalen Brechungindexdifferenz und der Tiefe zu beobachten ist. Es ist zu vermuten, dass sich so als zusätzlicher Freiheitsgrad beim Wellenleiterdesign die Eindringtiefe über die geeignete Kombination der Wellenleiterparameter einstellen lässt. Über diese Möglichkeit sollten auch gezielt die Eigenschaften bestimmter Wellenleiterstrukturen kontrolliert werden können. Weitere experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung der Wellenleiterstrukturen, insbesondere hinsichtlich der Dämpfung und Kopplung mit optischen Fasern, sind notwendig und werden weitergeführt, um praktische Komponenten - wie z. B. Interferenzkoppler - zu realisieren. Es ist weiterhin geplant, diese Technologie in Kooperation mit anderen Mitgliedern des Forschungsschwerpunkts (Prof. Garen, Prof. Neu) zur Realisierung von Drucksensoren für den Einsatz bei Untersuchungen der Kavitationsblasendynamik weiterzuentwickeln. Literatur /1/ N. Keil, H. H. Yao, C. Zawadzki Integrated Optical Switching Devices for Telecommunications Made on Plastics Plastics in Telecommunications VIII, London (1998), Conf. Dig. pp /2/ W.F.X. Frank, A. Schösser, A. Stelmaszyk, J. Shulz: Ionizing radiation for fabrication of optical waveguides in polymers, Critical Review Vol. CR63, 65, 1995 /3/ C. Wochnowski, S Metev, G.Sepold: UV-Laser-Assisted Modification of the optical properties of Polymethylmethacrylate 1999 /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, (2001), 26 (19), pp

7 Aufbau einer Breitbandquelle für das L-Band (um 1550 nm) Basierend auf den Ergebnissen aus dem Aufbau eines Er-dotierten Faserverstärkers (s. Zwischenbericht ) in Kooperation mit Prof. Haaß wird zur Zeit eine Breitbandquelle für den Bereich um 1550 nm aufgebaut. Kernstück der Quelle ist eine Er-dotierte Silikatglasfaser von ca. 10 m Länge, einem Kerndurchmesser von 3 µm und einer Absortion von 4 db/m bei 980 nm Pumpwellenlänge. Als Pumpquelle dient die gleiche Pumpdiode wie im Falle des Erdotierten Faserverstärkers (EDFA) mit 100 mw Ausgangsleistung bei 980 nm und transversaler Einmodigkeit. Im Vergleich zum EDFA wird zur Einkopplung der Quelle in die Singlemode-Faser nicht die übliche Standardfaser Corning SMF-28 verwendet, sondern eine spezielle Pigtail-Faser mit hoher numerischer Apertur (A N =0.22). Bei dem selben Laboraufbau wie für den EDFA wurde hierbei die Koppeleffizienz zwischen Laser und Faser von ca. 50% auf über 65% gesteigert. Damit wird fast die theoretisch erreichbare Grenze bei Einkopplung des elliptischen Laserstrahls in eine Singlemodefaser mit nahezu Gaußschem Grundmode erreicht. Es ist geplant, sämtliche Faserverbindungen nach der Einkopplung in die Pigtail-Faser mittels Fusionsspleißen zu realisieren, was eine deutliche Verringerung der Rückreflexionen sowie eine Verringerung der Spleißdämpfungen mit sich bringt. Erste Versuche des Spleißens zwischen Er-dotierter Faser und der Standardfaser SMF-28 wurden bereits durchgeführt, aber noch nicht charakterisiert. Nach Beschaffung eines neuen Fusionsspleißers im laufenden Jahr kann der Aufbau komplettiert und charakterisiert werden. Ein wesentlicher Einsatz der Breitbandquelle ist die Kooperation mit dem Bremer Institut für Angewandte Strahltechnik (BIAS, Prof. Metev). Dort werden Gitterstrukturen auf PMMA in der oben für Wellenleiter beschriebenen Technologie hergestellt, die in den Labors des Forschungsschwerpunkts charakterisiert werden. 7