DE10326429A1

DE10326429A1 - Method for producing an optical component by irradiation of a polymer body with high-energy rays involves adjustment of the irradiation doses and/or energy in a specified manner

Info

Publication number: DE10326429A1
Application number: DE2003126429
Authority: DE
Inventors: Birk Dipl.-Phys. Andreas; Karsten Prof. Dr. Buse; Konrad Dr. Peithmann
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2004-12-30

Abstract

The method for producing an optical component by irradiation of a polymer body (1) with high-energy rays, in particular, X-rays (2) involves adjustment of the irradiation doses and/or energy so that rises are included in local variations (3) of the refraction index. An independent claim is also included for an optical component produced by the proposed method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein lithographisches Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteiles durch Bestrahlung eines aus einem Polymer gefertigten Körpers mit insbesondere elektromagnetischer Strahlung, wobei die Intensitätsverteilung der Strahlung eine zweidimensionale Struktur aufweist, wobei das Polymer einen spezifischen Brechungsindex für Licht im sichtbaren Bereich aufweist und wobei die Bestrahlung lokale Veränderungen des Brechungsindex hervorruft.The The present invention relates to a lithographic process for Production of an optical component by irradiation of one a polymer-made body with in particular electromagnetic radiation, the intensity distribution the radiation has a two-dimensional structure, the Polymer has a specific refractive index for light in the visible range and where the radiation local changes in the refractive index causes.

Die Erzeugung von Brechungsindex-Strukturen in Polymeren, wie z.B. in PMMA (Polymethylmethacrylat), ist bekannt. Dabei werden Körper aus einem Polymer, dem Photostarter zugegeben ist, mit Laserlicht beleuchtet. Bei der Beleuchtung bewirkt der Photostarter eine weitere Polymerisation und damit eine Erhöhung des Brechungsindex in den beleuchteten Bereichen. Eine andere Technik verwendet Excimer-Laser, die Licht im ultravioletten Spektralbereich aussenden. Wird damit PMMA oder auch anderes Material (z. B. Polyimid) beleuchtet, erhöht sich der Brechungsindex im hellen Bereich. Auf diese Weise lassen sich auch Wellenleiter herstellen.The Generation of refractive index structures in polymers, e.g. in PMMA (polymethyl methacrylate) is known. In doing so, bodies are made a polymer, to which photo starter is added, illuminated with laser light. The photo starter causes further polymerisation when illuminated and thus an increase the refractive index in the illuminated areas. Another technique uses excimer lasers that emit light in the ultraviolet spectral range send out. Does it become PMMA or other material (e.g. polyimide) illuminated, increases the refractive index in the light area. This way also produce waveguides.

Der Nachteil der bekannten Verfahren liegt jedoch in ihrem Aufwand. So ist insbesondere die zur Herstellung der Photopolymere notwendige Chemie aufwendig. Außerdem ist es bei der Strukturierung der Polymere mit einem Eximer-Laser notwendig, diesen über die Probe zu rastern. Solche Rasterverfahren sind zeitaufwendig und somit unwirtschaftlich.The However, the disadvantage of the known methods is their complexity. In particular, this is necessary for the production of the photopolymers Chemistry is expensive. Moreover it is when structuring the polymers with an eximer laser necessary this over to rasterize the sample. Such screening processes are time-consuming and therefore uneconomical.

Auch in der Röntgentiefenlithographie ist PMMA als Resist schon lange bekannt. Wird es mit Synchrotronstrahlung beaufschlagt, kann es mit einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst werden. Auf diese Weise wurden mit mikrostrukturierter Beleuchtung schon mikrooptische Komponenten hergestellt. In einem fluorinierten Polyimid-Wellenleiter konnte ein Bragg-Gitter durch strukturierte Bestrahlung mit Röntgenlicht ohne nachfolgende chemische Prozessierung realisiert werden. Im Prinzip geht jedoch die Röntgentiefenlithographie mit einer lokalen „Zerstörung" des Materials einher, wobei die zerstörten Bereiche entweder, wie dargelegt, herausgelöst werden oder als Gebiete mit erniedrigtem Brechungsindex im Körper verbleiben. Mit der Beschränkung auf diese zerstörerischen Effekte ist eine gezielte Herstellung mikrooptischer Komponenten für kurzwelliges Licht nur schwerlich möglich.Also in deep x-ray lithography PMMA has long been known as a resist. Will it be with synchrotron radiation applied, it can be dissolved with a suitable solvent. In this way, microstructured lighting has already been used micro-optical components manufactured. In a fluorinated polyimide waveguide was able to create a Bragg grating by structured irradiation with X-rays can be realized without subsequent chemical processing. in the The principle, however, is X-ray depth lithography with a local "destruction" of the material, being the destroyed Areas either removed as set out or as areas remain in the body with a low refractive index. With the restriction on these destructive Effects is a targeted manufacture of micro-optical components for shortwave Light is hardly possible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich mikrooptische Komponenten mit vielseitigen Einsatzmöglichkeiten auf einfache Weise gezielt herstellen lassen.task The present invention is now to provide a method with which micro-optical components with versatile application possibilities can be easily produced in a targeted manner.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.This The task is characterized by the procedure with the characteristic features of claim 1 solved.

Der Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung geeigneter Komponenten mit der Methode der „Photorefraktiven Lithographie". Der Kerngedanke beruht auf der Feststellung, dass innerhalb eines mit hochenergetischer Strahlung, insbesondere mit Röntgenlicht, bestrahlten Körpers aus Polymer nicht nur Senkungen, sondern auch lokale Erhöhungen des Brechungsindex auftreten, wenn Dosis und/oder Energie der Strahlung innerhalb gewisser Grenzen, die sich von Polymer zu Polymer unterscheiden können, eingestellt werden. Diese Grenzen lassen sich für spezielle Polymere durch Versuche herausfinden. Mit einer derart eingestellten Strahlung, die nicht nur eine „zerstörerische", sondern auch eine „heilende" Wirkung hat, lassen sich komplexe mikrooptische Komponenten gezielt und einfach herstellen. Dabei ist die heilende Wirkung unter anderem darauf zurückzuführen, dass innerhalb des Polymers sich die Bruchstücke der von der Strahlung zerstörten Strukturen in einer Art lokaler „Repolymerisierung" wieder zu Strukturen komplexerer Ordnung zusammenfügen.The The invention relates to the production of suitable components with the method of "photorefractive Lithography ". The The core idea is based on the finding that within a with high-energy radiation, especially with X-rays, irradiated body Polymer not only cuts, but also local increases in Refractive index occur when dose and / or energy of radiation within certain limits that differ from polymer to polymer can, can be set. These limits can be applied to special polymers Find out attempts. With radiation set in this way, which not only have a "destructive" but also a "healing" effect complex and micro-optical components can be produced in a targeted and simple manner. The healing effect is partly due to the fact that within the polymer there are fragments of the structures destroyed by the radiation in a kind of local "repolymerization" back to structures put together more complex order.

Mit dem Verfahren werden die gewünschten Brechungsindexänderungen durch die Strahlung direkt in Polymere „geschrieben". Wie bereits beschrieben, ist die Besonderheit dabei, dass durch geeignete Manipulation des Strahlungsspektrums und der Dosis nicht nur Minderungen, sondern auch Erhöhungen des Brechungsindex erzielt werden können. Das ist vorteilhaft für den Bau maßgeschneiderter optischer Komponenten in diesem mikrooptischen Bereich, insbesondere von Wellenleitern. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kurzwellige Strahlung, wie Röntgenstrahlung, eingesetzt wird, werden der Miniaturisierung der Bauteile keine Grenzen durch Beugungseffekte gesetzt.With the process will produce the desired refractive index changes "written" directly into polymers by radiation. As already described, is the peculiarity that through appropriate manipulation of the Radiation spectrum and the dose not only reductions, but also increases of the refractive index can be achieved. This is advantageous for construction customized optical components in this micro-optical area, in particular of waveguides. Since in the method according to the invention short-wave radiation, like x-rays, miniaturization of the components is not used Diffraction effects set limits.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren diffraktiven optischen oder integriert-optischen Komponenten können in der Nachrichtentechnik, für optische Messverfahren, in der optischen Materialverarbeitung und für andere Anwendungsgebiete eingesetzt werden. Wie dargetan, ist mit der photorefraktiven Lithographie die Realisierung diffraktiver Optiken ebenfalls möglich. Die erzielbaren Brechungsindex-Änderungen reichen aus, um z. B. dicke Bragg-Gitter zu erzeugen. Diese können zur Wellenlängenselektion in Glasfasernetzen verwendet werden.The producible with the inventive method diffractive optical or integrated optical components can be used in communications engineering, for optical measuring methods, in optical material processing and for others Areas of application are used. As demonstrated, is with the photorefractive Lithography also makes it possible to implement diffractive optics. The achievable refractive index changes are sufficient to z. B. to produce thick Bragg gratings. These can be used for Wavelength selection can be used in fiber optic networks.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die nach der erfindungsgemäßen Methode hergestellten diffraktiven Optiken und integriertoptischen Komponenten durch einmalige Bestrahlung von Polymeren mit hochenergetischer Strahlung ohne weitere chemische Prozessierung hergestellt werden können.Another advantage of the invention is that the diffractive optics and integrated optical components produced by the method according to the invention by single irradiation of polymers with high-energy radiation can be produced without further chemical processing.

Da das Telekommunikationsnetz der Zukunft rein optisch arbeiten wird, um den schnell zunehmenden Bedarf an Datenübertragungskapazität zu decken, sind gerade die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kostengünstig hergestellten Komponenten von großem Interesse. Die Methode ermöglicht dabei die Herstellung optischer Komponenten, wie Wellenleitern, Wellenlängenfiltern oder ähnliches für Glasfasernetze, wobei die Komponenten aus kostengünstigen Materialien und ohne großen technischen Aufwand hergestellt sind. Solche Komponenten können auch in anderen Gebieten, wie in optische Messverfahren oder bei der optischen Materialverarbeitung, Anwendungen finden. Viele weitere Komponenten lassen sich realisieren: Dazu zählen u.a. integriert-optische Interferometer, Bragg-Gitter, Linsen-Arrays, mikrooptische Sensoren, Fresnel-Linsen und Phased-Arrays sowie integriert-optische Modulatoren in funktionellen Polymeren. Auch Laserverstärker, Laser, optische Logik-Bausteine, optische Rechner, Quantencomputer, Strahlschalter, Strahlumlenker, Wellenlängenfilter und Photonische Kristalle lassen sich herstellen.There the telecommunications network of the future will work purely optically, to meet the rapidly increasing need for data transmission capacity, are those which are produced inexpensively by the process according to the invention Components of great Interest. The method enables the manufacture of optical components such as waveguides, Wavelength filters or similar for fiber optic networks, taking the components from inexpensive materials and without huge technical effort are made. Such components can also in other areas, such as in optical measurement methods or in the optical material processing, find applications. Many more Components can be implemented: These include integrated optical Interferometers, Bragg gratings, lens arrays, micro-optical sensors, Fresnel lenses and Phased arrays and integrated optical modulators in functional ones Polymers. Also laser amplifiers, Lasers, optical logic modules, optical computers, quantum computers, Beam switches, beam deflectors, wavelength filters and photonic Crystals can be made.

Als Polymere werden vorteilhafterweise optisch transparente Kunststoffe eingesetzt. Als vorteilhaft hat sich der Einsatz von Polymethylmethacrylat, (PMMA) Polyimid, Polycarbonat, Polystyrol, Styrolacrylnitril, Polyethylen, Polypropylen, Polysulfon, Polyethersulfon und Polyphenylsulfon erwiesen. Diese Polymere können mit hochenergetischer Strahlung, insbesondere im Röntgenbereich, bestrahlt werden. Neben herkömmlichen Röntgenröhren können als Lichtquellen auch laserinduziertes Plasma, ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) oder ein radioaktives Präparat eingesetzt werden. Wegen der besonderen Eigenschaften ist Synchrotronstrahlung zu bevorzugen. Auch das Beschreiben des Polymers mit einem hochenergetischen Ionenstrahl kann für gewisse Anforderungen vorteilhaft sein.As Polymers are advantageously optically transparent plastics used. The use of polymethyl methacrylate (PMMA) has proven advantageous Polyimide, polycarbonate, polystyrene, styrene acrylonitrile, polyethylene, Polypropylene, polysulfone, polyether sulfone and polyphenyl sulfone have been proven. These polymers can with high-energy radiation, especially in the X-ray range, be irradiated. In addition to conventional X-ray tubes can be used as light sources also laser-induced plasma, a free electron laser (FEL) or a radioactive preparation be used. Because of the special properties is synchrotron radiation to prefer. Also describing the polymer with a high energy Ion beam can for certain requirements may be beneficial.

Die Strukturierung der Strahlung und damit die räumliche Modulation erfolgt in einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel durch eine in den Strahlengang eingebrachte Maske, welche die Strahlung absorbiert. Gezieltes Beschreiben ist aber auch durch die Ablenkung des fokussierten Strahles oder die Auslenkung der Probe möglich.The Structuring of the radiation and thus the spatial modulation takes place in a particularly simple embodiment by a in mask introduced into the beam path, which absorbs the radiation. Targeted writing is also due to the distraction of the focused Beam or the deflection of the sample possible.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand der 1 bis 3 näher erklärt. Es zeigen:The invention is based on an embodiment and on the basis of the 1 to 3 explained in more detail. Show it:

1 ein mit strukturiertem Röntgenlicht bestrahltes Polymer, 1 a polymer irradiated with structured X-ray light,

2 Brechungsindexänderungen in Abhängigkeit von der Eindringtiefe und 2 Refractive index changes depending on the penetration depth and

3 eine Photographie eines erstellten Wellenleiters. 3 a photograph of a waveguide created.

1 zeigt das lithographische Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteiles, bei dem ein aus Polymer, in diesem Falle aus PMMA, gefertigter Körper 1 mit Röntgenlicht 2 bestrahlt wird. Das Röntgenlicht 2 weist eine Struktur in Form einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung auf, die der Strahlung beim Durchtritt durch eine nicht gezeigte Maske aufgeprägt wird. Diese Struktur wird in lokale Änderungen des Brechungsindex umgesetzt, der sich in den Regionen 3 ändert, in denen das Röntgenlicht auf den Körper auftrifft. Je nach Einstellung der Härte und in diesem Falle der Dosis der Strahlung werden Erhöhungen oder Erniedrigungen des Brechungsindex erzielt. 1 shows the lithographic process for producing an optical component, in which a body made of polymer, in this case made of PMMA 1 with x-ray light 2 is irradiated. The X-ray light 2 has a structure in the form of a two-dimensional intensity distribution which is impressed on the radiation when it passes through a mask (not shown). This structure is translated into local changes in the refractive index that are found in the regions 3 changes in which the X-ray light hits the body. Depending on the setting of the hardness and in this case the dose of radiation, the refractive index is increased or decreased.

In dem Diagramm nach 2 sind für PMMA die Brechungsindexänderungen über der Eindringtiefe für verschiedene Bestrahlungs-Dosen in Ampereminuten gezeigt. Für die Bestrahlung wurde Synchrotronlicht mit einer Energie von 3.7 keV (Intensitätsmaximum) verwendet. Zu erkennen ist, dass der Brechungsindex sich jeweils bis zu einer gewissen Eindringtiefe um einen positiven Faktor verändert hat, bevor er negativ wird. Die Abhängigkeit von der Dosis ist deutlich zu erkennen.In the diagram after 2 the refractive index changes over the penetration depth for different radiation doses in ampere minutes are shown for PMMA. Synchrotron light with an energy of 3.7 keV (maximum intensity) was used for the irradiation. It can be seen that the refractive index has changed by a positive factor up to a certain depth of penetration before it becomes negative. The dependence on the dose can be clearly seen.

Als ein Ausführungsbeispiel sei die Herstellung eines Streifenwellenleiters gezeigt (3). Dabei wird Synchrotronlicht mit einem Intensitätsmaximum bei 3.6 keV und nach Durchtritt durch eine 100 μm Be- und eine 50 μm Kapton-Folie als Vorfilter auf eine Metallmaske gelenkt. Diese hat einen mehrere Zentimeter langen und 50 μm breiten Schlitz. Hinter der Maske befindet sich eine Probe PMMA. Nach Belichtung mit einer Dosis von 50 mAmin ist in die PMMA-Probe ein Streifenwellenleiter eingeschrieben, wobei die streifenförmige Beleuchtung zu einer Erhöhung des Brechungsindexes in einer dünnen Schicht an der Oberfläche geführt hat. 3 zeigt Licht 4, welches nach 5 cm Propagation am Ende des Wellenleiters ankommt. Dabei sind zu erkennen die von Luft gebildete Oberseite 5, die Oberflächenkante 6 und das Polymer-Material 7.The production of a strip waveguide is shown as an exemplary embodiment ( 3 ). Here, synchrotron light with an intensity maximum of 3.6 keV and after passing through a 100 μm loading and a 50 μm Kapton film is directed onto a metal mask as a pre-filter. This has a slot several centimeters long and 50 μm wide. There is a sample of PMMA behind the mask. After exposure to a dose of 50 mAmin, a strip waveguide is inscribed in the PMMA sample, the strip-shaped illumination leading to an increase in the refractive index in a thin layer on the surface. 3 shows light 4 which arrives at the end of the waveguide after 5 cm of propagation. The upper side formed by air can be seen 5 , the surface edge 6 and the polymer material 7 ,

Claims

Lithographic process for producing an optical component by irradiating a body made of a polymer ( 1 ) with high-energy radiation ( 2 ), in particular X-rays, the intensity distribution of the radiation ( 2 ) a two-dimensional structure ( 3 ), the structure ( 3 ) is caused in particular by a mask introduced into the beam path, the polymer having a specific bre Index for light in the visible range and wherein the radiation causes local changes in the refractive index, characterized in that the dose and / or energy of the radiation ( 2 ) are set so that the local changes ( 3 ) Include increases in the refractive index.

A method according to claim 1, characterized in that as radiation ( 2 ) electromagnetic radiation, with a wavelength in particular in the X-ray range, is used.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that that the polymer is an optically transparent plastic.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the polymer is a polymethyl methacrylate, a Polyimide, a polycarbonate, a polystyrene, a styrene acrylonitrile, a polyethylene, a polypropylene, a polysulfone, a polyethersulfone or is a polyphenyl sulfone.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the body ( 1 ) is irradiated with synchrotron radiation.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structure ( 3 ) is caused by a mask placed in the beam path.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the dose and / or the energy of the radiation ( 2 ) are adjusted depending on the polymer to be acted on so that local increases in the refractive index occur.

Optical component made with the lithographic Method according to one of the preceding claims, characterized by areas with a lateral expansion of less than 0.3 micrometers, which increased Have refractive index.