Untersuchung zur Herstellung von dämpfungsarmen planaren polymeren Lichtwellenleitern hergestellt mittels UV-Laserlithographie
Final Report Abstract
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Erarbeitung der wissenschaftlich-technischen Grundlagen für ein UV-Laserbasiertes Lithographieverfahren zum Einschreiben dämpfungsarmer integriert-optischer Lichtwellenleiter in Polymere. In der integrierten Optik steigt der Bedarf an direkt modifizierbaren Substraten, sodass in nur einem einzelnen UV-Lithographieschritt aus dem Ausgangsmaterial ein integriert-optisches Netzwerk aus Lichtwellenleitern entstehen kann. Hierzu sollten in dem Forschungsvorhaben die nötigen Anpassungen des Prozesses untersucht werden. Die bisher hergestellten Lichtwellenleiter haben im Allgemeinen eine zu hohe Dämpfung, sodass die noch sinnvolle Länge der bisher herstellbaren Lichtwellenleiter begrenzt war. Als Substratmaterial wurde auf kommerziell erhältliches PMMA zurückgegriffen, da die Modifizierbarkeit der Brechzahl durch UV-Strahlung bekannt ist und reproduzierbare Ergebnisse liefert. Die verhältnismäßig hohe Dämpfung des Materials hängt hier von dem induzierten Brechzahlprofil ab, nicht aber von der Absorption des Materials. Das induzierte Brechzahlprofil hat im PMMA einen speziellen Verlauf, der nicht exponentiell ist, sondern ein Maximum an der Oberfläche des Substrates hat, und ein weiteres Maximum innerhalb des Materials aufweist. Zwischen den Maxima liegt bei etwa 1/6 der Modifikationstiefe ein Minimum der Brechzahl. Da die Verluste des geführten Lichtes von dem Gradienten der Brechzahl am Minimum abhängig sind, wurden einzelne Wirkmechanismen auf ihren Einfluss auf den Verlauf des Brechzahlprofils um das Minimum herum untersucht. Variierte Prozesskenngrößen waren unter Anderem die verwendete UV-Wellenlänge, die Prozesstemperatur, die Pulsfluenz und die Gesamtfluenz. Es konnten Wellenleiter hergestellt werden, bei denen eine Gesamtdämpfung von nur 9 dB inklusive Einkoppelverlusten über zwei Zentimetern gemessen wurde. Insbesondere wurde während des Vorhabens das entstehende Brechzahlprofil genauer untersucht. Bei bisherigen Proben war der Brechzahlverlauf um das Minimum herum für die hohe Dämpfung des oberen Wellenleiters verantwortlich, da über das lokale Minimum hinweg über das evaneszente Feld der sich ausbreitenden geführten Moden Energie in den unteren Wellenleiter gekoppelt wird, die als Strahlungsmode in das Substrat verloren geht. Dieses Minimum bietet auf der anderen Seite die Chance, den Brechzahlverlauf so zu gestalten, das nur sehr wenig Licht in den unteren Wellenleiter gekoppelt wird, und der Dämpfungswert weit unter den für ein exponentiell fallendes Profil erwarteten Wert fällt. Die erlangten Ergebnisse haben neue Fragestellungen offenbart, so müssen z.B. die gemessenen Brechzahlverläufe nun theoretisch durch eine mathematische Beschreibung untermauert werden. Ebenfalls sind die theoretisch ermittelten Dämpfungswerte mit denen der Proben zu vergleichen, um die theoretische Modellierung der Brechzahlverläufe möglichst realistisch zu gestalten und gegebenenfalls anzupassen.
