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.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK