Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7355
UV-induzierte Brechzahländerung zur Herstellung von
Wellenleitern und Integration von Siliziumphotodioden
Y. Ichihashi, T.
Mappes, J. Mohr
Zusammenfassung
In der vorliegenden
Arbeit wurde eine Prozessvariante zur Herstellung polymerer Wellenleiter durch
UV-induzierte Brechzahländerung auf Siliziumsubstraten erarbeitet. Dieses
Verfahren wurde bei der Integration von Wellenleitern mit Siliziumphotodioden
eingesetzt. Das verwendete Herstellungsverfahren basiert auf der lokalen
Veränderung des Brechungsindex von Polymeren durch UV-Bestrahlung im
kurzwelligen UV-Bereich. Für die lokale Strukturierung von Wellenleitern wurden
konventionelle UV-Lithographietechniken mit Chrommasken eingesetzt.
Um den Einfluss der Materialwahl auf das
fotochemische Verhalten zu untersuchen, wurden verschiedene optische Polymere
verwendet. Nur modifiziertes Acrylat (alizyklische Methacrylat Copolymer,
OPTOREZ®) zeigte eine ausreichende große Brechzahländerung für die
Wellenleiterstrukturierung mittels UV-Bestrahlung. Dieses neue Material besitzt
einen höheren Brechungsindex, eine höhere Glasübergangstemperatur und eine
geringere Wasserabsorption als konventionelles Polymethylmethacrylat (PMMA).
Bei der spektroskopischen Analyse wurde die fotochemische Reaktion von
modifiziertem Acrylat nachgewiesen, die identisch ist mit der von PMMA. Erste
Untersuchungen zur Immobilisierung von lebenden Zellen (L929 Fibroblasten) auf
den Oberflächen von modifiziertem Acrylat wurden erfolgreich durchgeführt. Das
modifizierte Acrylat eignet sich also sowohl für die Herstellung von
Wellenleitern und als auch für die Immobilisierung von Zellen.
Aus den OPTOREZ®-Serien wurde
OZ-1100 für die Herstellung von Wellenleitern ausgewählt und charakterisiert.
Bestrahlungszeiten und Wellenlänge der Strahlung wurden hinsichtlich der
optischen Eigenschaften der Wellenleiter optimiert. Hierbei konnten durch einen
Maskaligner EVG 620 mit kürzerer Bestrahlungszeit monomodige Wellenleiter mit
weniger Dämpfung erreicht werden (0,8 dB/cm bei 1550 nm und 0,6 dB/cm bei 808
nm).
Weiterhin konnte die Integration der
Polymerwellenleiter mit einer Siliziumphotodiode demonstriert werden.
Wellenleiter wurden in PMMA auf einem SiO2-beschichteten
Siliziumwafer hergestellt und charakterisiert. Die Wellenleiter waren 10 µm
breit und multimodig bei einer Wellenlänge von 635 nm. Für die Dämpfung wurden
0,16-0,25 dB/cm bei 650 nm gemessen. Der Kopplungsverlust von einer Faser zu
dem Chip hängt von der Qualität der Kante ab, an der der Wafer abgesägt wurde.
Die Kopplungsverluste betragen 1,2-2,7 dB/Seite. Diese Werte sind deutlich
besser als früher berichtete Werte (1-1,2 dB/cm und 7 dB/Seite) für SU-8
Wellenleiter auf einem Siliziumwafer.
PMMA Wellenleiter wurden mit einer
Siliziumphotodiode auf einem gemeinsamen Substrat integriert. Der Photostrom
wurde gemessen und die Kopplungseffizienz wurde bestimmt. Die Unsicherheiten
für die Verluste über die gesamte Länge der Wellenleiter lassen nur eine sehr
grobe Abschätzung der Kopplungseffizienz zu – sie liegt zwischen 30% und
90%.
Die in dieser Arbeit vorgestellte
Entwicklung ist ein erster Schritt hin zur Realisierung von integrierten
biophotonischen Sensoren, bei denen optische Wellenleiterstrukturen mit
Detektoren und ggf. mit Lichtquellen integriert werden.
UV-induced refractive index modification for fabrication of
waveguides and integration of silicon photodiodes
Abstract
This thesis describes the fabrication process for polymer
waveguides by UV-induced refractive index modification on silicon substrate.
This process was used for the integration of waveguides with silicon
photodiodes. The fabrication process is based on the local modification of the
refractive index of polymers by deep UV-exposure. The local structuring of
waveguides was performed by conventional photolithographic technique using a
quartz/chromium mask.
In order to investigate the influence of the material selection on the
photochemical process, different optical polymers were used. Only modified
acrylate (alicyclic methacrylate copolymer, OPTOREZ®) showed enough
refractive index change for the waveguide fabrication by UV-exposure. This new
material owns a higher refractive index, higher glass transition temperature
and lower water absorption than conventional polymethyl methacrylate (PMMA).
The photochemical reaction of modified acrylate was shown to be the same as
that of PMMA by spectroscopic analysis. The first investigations for the
immobilization of living cells (L929 fibroblast) on the surface of modified
acrylate have been successfully carried out. This modified acrylate is suitable
for the fabrication of waveguides and the immobilization of living cells.
OZ-1100 was selected from OPTOREZ® series for the waveguide
fabrication and characterized. The exposure time and exposure wavelength were
optimised with respect to the optical properties of the waveguides. By using a
maskaligner EVG 620 with shorter exposure time, single-mode waveguides with
smaller propagation loss (0.8 dB/cm at 1550 nm and 0.6 dB/cm at 808 nm) were
achieved.
Furthermore the integration of waveguides with silicon photodiodes was
demonstrated. PMMA waveguides was fabricated on the SiO2 coated silicon
wafer and characterized. 10 µm wide waveguides were multimode at 635 nm. The
propagation loss was 0.16-0.25 dB/cm at 650 nm. The fiber to chip coupling loss
was 1.2-2.7 dB/facet, depending on the quality of the diced edged. This value
is much better than the already reported value (1-1.2 dB/cm and 7 dB/facet) for
SU-8 waveguide on silicon wafer.
PMMA waveguide was integrated with silicon photodiode on a substrate. The
photocurrent was measured and coupling efficiency was determined. Due to the
uncertainness of the total losses in the waveguide, the rough estimation of the
coupling efficiency was between 30% and 90%.
The approach presented here is a first step to the integrated biophotonic
sensor which contains optical waveguides, detector and light sources.
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