Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6978

UV-induzierte Herstellung monomodiger Wellenleiter in Polymeren

P. Henzi

Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren zur Herstellung monomodiger polymerer Wellenleiter entwickelt. Durch eine systematische Analyse der Einflussgrößen wurden die Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens anhand von Wellenleiter-Basisstrukturen aufgezeigt.

Das Herstellungsverfahren basiert auf der lokalen Veränderung der dielektrischen Eigenschaften von Polymethylmethacrylat durch UV-Strahlung. Für die lokale Strukturierung von Wellenleitern wurden zwei Ansätze verfolgt. Beim ersten Ansatz erfolgte die laterale Strukturierung der Wellenleiter mit herkömmlicher Photolithographie über eine Chrom/Quarzmaske. Beim Zweiten wird durch Kombination der LIGA-Technik das Polymer vorstrukturiert, um es durch eine Rippen- oder Grubenstruktur für eine anschließende planare UV-Bestrahlung zu maskieren.

Zur Untersuchung der fotochemischen Reaktionen in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen wurden spektroskopische Methoden herangezogen. Um den Einfluss von Additiven und Copolymerisation auf das fotochemische Verhalten zu untersuchen, wurden verschiedene Homo- und Copolymere von Polymethylmethacrylat verwendet. Es zeigte sich, dass die dominierenden Reaktionen unabhängig vom verwendeten Material waren. Bei der Fotolyse an Luft konnten Fotooxidationsprodukte nachgewiesen werden, welche die Dämpfung der Wellenleiter im dritten optischen Fenster bei 1550 nm erhöhen. Das zweite optische Fenster bei 1300 nm bleibt davon unberührt. Durch Verwendung von Inertgas oder Vakuum konnten diese Oxidationsprodukte vermieden werden, die Wellenleiter zeigten wesentlich besser optische Eigenschaften. Im Hinblick auf kürzere Belichtungszeiten, höhere Brechungsindexhübe und erhöhte thermische Stabilität der Wellenleiter wurde eine weitere Prozessvariante erarbeitet. Hierbei konnten durch Addition von Brom höhere Brechungsindexkontraste und Glasübergangstemperaturen des modifizierten Materials erreicht werden.

Zur Entwicklung eines integriert optischen Sensors, der durch immobilisierte lebende Zellen auf den Wellenleiterstrukturen basiert, wurden erste Untersuchungen zur Immobilisierung verschiedener Zelltypen auf den Wellenleiteroberflächen erfolgreich durchgeführt. Es konnte hierbei eine Zelladhäsion von L929 Fibroblasten im fotochemisch modifizierten Bereichen anhand von Teststrukturen demonstriert werden.

Weiterhin konnte die Realisierbarkeit von Wellenleitern durch Maskierung mittels vorgeprägtem Substrats gezeigt werden. Die Kombination mit der LIGA-Technik bietet so die Möglichkeit, die Wellenleiter in eine mikrooptische Bank zu integrieren. Zur Demonstration sind Wellenleiter mit integrierten Faserführungsstrukturen hergestellt worden. Dieser Ansatz ermöglicht die Herstellung einer mikrooptischen Bank mit integrierten monomodigen Wellenleiterstrukturen durch Replikationstechnologien und hat somit das Potential einer Massenfabrikation.

UV-induced fabrication of single mode waveguides in polymers

Abstract
This thesis describes the development of a process for fabricating single mode polymer waveguides. By systematic analysis of process parameters using basic waveguide components, the feasibilities and limits of this approach are given.

The process is based on the UV-induced modification of the dielectric properties of polymethylmethacrylate. Two approaches for the lateral structuring of waveguides are used. In the first approach the lateral structuring is achieved by conventional photolithographic technique using a Quartz/chrome mask. The second approach uses in the first step the LIGA-technique to pre-emboss the polymer substrate. The embossed ridge or a groove structure serve as masking structures for and ensuing flood exposure.

For the investigation of the photochemical reactions dependant on environmental process conditions, spectroscopic methods are used. The influence of additives or copolymerisation on photochemistry are studied using different homo- and copolymers. It can be shown that the dominating photochemical reactions are independent of the material used. During photolysis in ambient air, photooxidation products can be detected, which increase the absorption of the waveguides in the third optical window at 1550 nm. The second optical window at 1310 nm remains unaffected. The oxidation products can be avoided by exposing in an inert gas atmosphere or vacuum. A new process variant is achieved with respect to smaller irradiation doses, higher index contrast and higher thermal stability of the waveguides. It can be shown that the addition of bromium leads to higher index contrasts and higher glass transition temperatures of the waveguide materials.

For the development of an integrated optical sensor, which is based on immobilized living cells on the waveguide surface, first investigations for immobilization of living cells on the waveguide structures have been successfully carried out. Cell adhesion of L929 fibroblast on the photochemical modified region of test structures was demonstrated.

Furthermore the structuring of waveguides by masking with pre-embossed polymer substrates and following flood exposure was demonstrated. The approach using LIGAtechniques provide the opportunity to integrate the waveguides in a micro-optical bench. For demonstration, waveguides with passive fibre alignment structures have been successfully fabricated. The approach presented here provides the opportunities to have a mass fabrication process using replication technologies of a microoptical bench with integrated singlemode waveguides.

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