CH693368A5

CH693368A5 - Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters, Lichtleiterbauteil sowie deren Verwendungen.

Info

Publication number: CH693368A5
Application number: CH03743/94A
Authority: CH
Inventors: Johannes Edlinger; Helmut Rudigier
Original assignee: Unaxis Balzers Ag
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 2003-06-30
Also published as: DE19544125B4; US5675691A; JPH08220317A; JP2006251827A; GB2295904B; GB2295904A; JP3902678B2; GB9525087D0; DE19544125A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beugungsgitterstruktur und ein Lichtleiterbauteil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 17 sowie bevorzugte Verwendungen davon nach den Ansprüchen 23 bzw. 24.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, lässt sich Licht, analog zur Glasfaser, auch in Schichten 2 auf planaren Substraten führen, vorausgesetzt, der Brechwert der Schicht ist höher als der Brechwert des Substrats 1 und als der Brechwert der Umgebung 3, und die optischen Verluste des ganzen Systems 1, 2, 3 sind niedrig genug.

Hochbrechende dielektrische Schichten mit wellenleitenden Eigenschaften auf einem Trägersubstrat 1 haben bei geeigneter Wahl der Schichtdicke und der Brechwerte von Substrat 1, Schicht 2 und Umgebung 3 ein in die Umgebung evaneszentes Feld 4 hoher Intensität. Als evaneszentes Feld wird dabei der Anteil des Feldes des geführten Modes bezeichnet, der im Umgebungsmedium läuft. Das evaneszente Feld von hochbrechenden Schichten wird vielfältig in der physikalisch/chemischen Analytik eingesetzt. Das Umgebungsmedium 3 ist dabei in der Regel der Analyt oder enthält den Analyten.

Im Unterschied dazu ist bei Glasfasern oder planaren Wellenleitern, die in der Kommunikationstechnik verwendet werden, die in die Umgebung evaneszente Intensität sehr klein.

Um eine geführte Lichtwelle anzuregen, muss Licht, vorzugsweise ein Laserstrahl 11, in die Schicht ein- und/oder ausgekoppelt werden. Aus der Literatur (P.K. Tien, Appl.Optics, Vol. 10, Nov. 1971, S. 2395-2413) sind drei Arten, Licht in eine wellenleitende Schicht einzukoppeln, bekannt: Einkoppeln durch Prismen, über die Stirnfläche oder mithilfe eines Koppelgitters 6. Davon erscheint die Einkopplung mittels Koppelgitter für analytische Massenanwendungen am günstigsten, da dabei auf aufwändige mechanische Justierungen verzichtet werden kann. Die Wirkung eines Koppelgitters besteht darin, dass ein Teil des einfallenden Lichtes durch Diffraktion in die hochbrechende Schicht eingekoppelt wird. Die genaue Wirkungsweise von Gitterkopplern wird z.B. in T. Tamir, S.T. Peng, Appl.Phys. 14, 235-254 (1977), beschrieben.

Als hochbrechende dielektrische Schicht bezeichnet man Schichten mit einem Brechwert, der mindestens 10% höher ist als der Brechwert des Substrats. Für häufig verwendete Substrate mit einem Brechwert von NSubstrat APPROX 1.5 soll der Brechwert der Schicht N > 1.65 sein, insbesondere N > 1.75. Als Materialien finden die Oxyde TiO2, Ta2O5, HfO2, Al2O3, Nb2O5, Y2O3, ZrO2 Verwendung. Die Nitride von Al, Si und Hf kommen für diese Anwendungen ebenso infrage wie deren Oxinitride. Ebenso werden Mischungen, z.B. TiO2 und SiO2, mit der Möglichkeit, den Brechwert je nach Mischungsverhältnis einzustellen, verwendet.

Ebenso kann als Wellenleiter nicht nur eine Einzelschicht aus einem der genannten hochbrechenden Materialien, sondern auch ein System aus mehreren Schichten mit mindestens einer der genannten hochbrechenden Schichten verwendet werden. Insbesondere ist es z.B. möglich, zwischen Substrat und hochbrechender Schicht und/oder zwischen Umgebung und hochbrechender Schicht dünne Zwischenschichten aus SiO2 einzuführen, z.B. gemäss der WO92/19976.

Als Wellenleiter bezeichnet man Schichten, in denen ein ge führter Mode in der Schicht angeregt werden kann, mit Verlusten < 50dB/cm, insbesondere < 10dB/cm.

Als Substratmaterialien kommen z.B. Silizium, verschiedene Gläser, Keramikmaterialien oder Kunststoffe, z.B. Polykarbonat, PMMA, Polystyrol etc., infrage.

Die räumliche Periode, wie sie für Koppelgitter nötig ist, liegt in der Grössenordnung der Wellenlänge des verwendeten Lichtes, liegt insbesondere zwischen 300 nm und 1000 nm für sichtbares Licht und ist entsprechend mehr für den IR-Bereich (s. T. Tamir, oben).

In Fig. 2a, b und c sind bekannte optische Anordnungen dargestellt, die als Koppelgitter wirksam sind.

In Fig. 2a ist ein planes Substrat 1 dargestellt, auf das eine wellenleitende Schicht 2 aufgebracht ist, in die ein Oberflächenrelief geätzt wurde, das als Koppelgitter wirkt. Strukturen, wie in Fig. 2b dargestellt, bei der ein strukturiertes Substrat mit wellenleitender Schicht 2 versehen ist, wirken ebenso als Koppelgitter.

Die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch industrielle Ausführungen, z.B. gemäss EP-A-0 226 604.

In Fig. 2a ist eine Anordnung dargestellt, bei der das Substrat 1 zuerst beschichtet wird. Dann wird, z.B. durch Fotolithografie und anschliessendes Ätzen, die Schichtdicke der hochbrechenden Schicht 2 periodisch variiert. Dadurch entsteht ein "Gitter im Wellenleiter", GIW. Die räumliche Gitterperiode LAMBDA beträgt 750 nm, die Gittertiefe d etwa 10 nm. Die Schichtdicke beträgt 155 nm Ta2O5 mit einem Brechwert von N = 2.2 auf einem Substrat aus C7059 mit einem Brechwert von NSubstrat = 1.5315.

In Fig. 2b ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der zuerst das Substrat strukturiert (Gitter im Substrat, GIS) und danach beschichtet wird. Die Gittertiefe beträgt 5-10 nm.

Anwendungsbeispiele für integriert optische Sensoren mit Gitterkopplern findet man z.B.
- bei Sensoren mit Gitterkopplern (EP-0 226 604 B1);
- bei Sensoren, die ein holografisches Gitter mit einem beschichteten Substrat verwenden, W093/01487, EP-0 482 377 A2;
- zum Einkoppeln und Auskoppeln von Laserlicht in ein Mach-Zehnder Interferometer, phasensensitive Sensoren (EP-0 487 992 A2);
- zum Ein- und Auskoppeln von Laserlicht in Sensoren, die ein Signal proportional zu der Mode-Intensität generieren, z.B. Absorption, um die absolute, in einem Wellenleiter laufende Intensität zu messen;
- in Form einer Zusammenfassung möglicher Sensorprinzipien mit einer Verbreitung der Koppelgitter auf allgemeinere diffraktive Strukturen in R.E. Kunz, Proc. SPIE, Vol. 1587 (1992) oder W092/19976.

Wie in Fig. 3a im Ausschnitt und in Fig. 3b perspektivisch und schematisch dargestellt, kann bei diesen Beispielen entweder das Einkoppelgitter 6 oder ein Auskoppelgitter 7 oder die Fläche 8, in der der geführte Mode läuft, als Sensorflä che wirken. Ebenso kann nach W093/01487 auch ein holografisches Gitter als Sensorfläche wirken.

In Fig. 4 ist ein Beispiel für ein Mach-Zehnder Interferometer mit Ein- und Auskoppelgitter 6 bzw. 7 dargestellt.

Der Herstellungsprozess von solchen integriert optischen Sensoren lässt sich in zwei Untergruppen gliedern:

1. Beschichtung mit definiertem Brechwert und definierter Schichtdicke,

2. Herstellung der Koppelgitter.

Für die Beschichtung stehen relativ kostengünstige Lösungen, wie PVD-Verfahren (Aufdampfen, Sputtern etc.), CVD-, PECVD-, Ion Plating- oder SOL-GEL-Verfahren, zur Verfügung. Der grösste Teil der Kosten fällt im Moment für die Herstellung der Koppelgitter an. Dafür sind folgende Verfahren bekannt:

1. Fotolithografie:

Auf Substraten aus Mineralglas oder Keramik werden Oberflächenreliefstrukturen gemäss den Fig. 2a, 2b, 3 und 4 durch fotolithografische Techniken hergestellt. Dazu wird das gegebenenfalls beschichtete Substrat belackt, dann belichtet und entwickelt und anschliessend geätzt. Im letzten Schritt wird der Fotolack wieder entfernt. Diese Technik ist wegen der Vielzahl an Operationen und der dazu notwendigen Geräte (Reinigung, Lackschleuder, Belichtungsgerät, Ätzanlage etc.) teuer.

2. Replikation von Oberflächenreliefstrukturen auf Plastik:

In R. Kunz, Proc. SPIE, Vol. 1587 (1992), wird vorgeschlagen, Koppelgitter aus Plastik herzstellen und anschliessend zu beschichten. Das hat den Vorteil, dass für Plastiksubstrate billige Replikationstechniken verfügbar sind, z.B. Prägen, Spritzgiessen oder Giessen.

Kunststoff als Substratmaterial hat auch Nachteile: Die mechanischen Eigenschaften des Substrats sind weniger genau bekannt als die von Glas, weniger stabil und von den mechanischen Eigenschaften der hochbrechenden Schichten sehr verschieden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kunststoffe ist etwa um eine Grössenordnung grösser als die der meisten hochbrechenden Dielektrika.

Die verschiedenen Strukturiermethoden für Kunststoffe haben ebenfalls Nachteile: Zum Prägen braucht man Stempel, deren Herstellung teuer ist. Dazu können die Strukturiermethoden Oberflächenrauigkeiten induzieren, die sich nachteilig auf die wellenleitenden Eigenschaften auswirken. Ebenso ungeklärt ist die Reproduzierbarkeit von sub-Mikrometerstrukturen in Kunststoff.

3. Ablation von Oberflächenreliefstrukturen in Plastik;

Bekannt ist weiter die Herstellung von Oberflächenreliefstrukturen in Polymeren durch UV-Laser-Ablation (Prospekt der Fa. EXITEC Ltd., Hanborough Park, Long Hanborough, 0X8 8LH, UK).
- Allerdings sind die bis jetzt hergestellten Gitter etwa 100 nm tief, also eine Grössenordnung tiefer als zur Verwendung als Koppelgitter notwendig.

Bekannt ist auch die räumlich modulierte Belichtung von fotosensitivem Substratmaterial mit UV-Licht, um eine Brechwertmodulation, wie in Fig. 2c mit Bereichen 9 und 9a unterschiedlicher Brechungsindizes im Substrat 1 dargestellt, herzustellen. Zu diesem Zweck gibt es spezielle, als solche bekannte fotosensitive Gläser und Polymere (Fotolacke).
- Diese speziellen Materialien sind aber ebenfalls teuer.

Bezüglich Glasfasern ist es in der Literatur bekannt, dass sich die optischen Eigenschaften von Glasfasern durch die Bestrahlung mit UV-Laserlicht ändern (A.M. Glass, Physics Today, Oct. 1993, S. 34-38; K.O. Hill et al., Appl.Phys.Lett. 32 (10, 15 May 1978, S. 647). Die Änderung besteht dabei im Wesentlichen in einer zeitlich stabilen Änderung des Brechwerts ( DELTA n APPROX 10<-><2>) des Ge-dotierten SiO2-Kerns der Faser. Durch geeignete Beleuchtung der Faser mit interferierenden Excimer-Laserstrahlen kann man Phasengitter direkt im Kern der Glasfaser erzeugen.

Mithilfe ein oder mehrerer Phasengitter lassen sich eine Reihe von Bauteilen herstellen: Reflektoren, Resonatoren, Gitterkoppler, Multiplexer.
- Solche Bauteile werden bei 1330 nm und 1550 nm Wellenlänge betrieben und sind dafür ausgelegt.
- Die Änderung des Brechwertes ist an die Ge-Dotierung gebunden, ohne die das Verfahren nicht funktioniert.
- Der Kern der Glasfaser ist in den niederbrechenden Mantel eingebettet.
- Anwendung finden solcherart hergestellte Bauteile in der Kommunikationstechnik.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein billiges, für eine Massenproduktion geeignetes Verfahren zur Herstellung von Ein-/Auskoppelgittern in hochbrechenden Schichten/Schichtsystemen mit folgenden Eigenschaften zu finden:
- die Geometrie soll eine beliebige Raumfläche sein können, bevorzugterweise aber planar sein.
- Es soll keine Ge-Dotierung der hochbrechenden wellenleitenden Schicht wie bei den Glasfasern notwendig sein, verschiedene hochbrechende dielektrische Schichtmaterialien sollen direkt auch ohne Dotierung strukturierbar sein.
- Es soll die Möglichkeit bestehen, die Gitter so auszulegen, dass auch mit Licht von 400 nm bis 1200 nm, z.B.

HeNe-Licht bei 633 nm, gearbeitet werden kann.
- Das Verfahren soll möglichst unabhängig vom Material des Substrats sein, anorganisches Glas, Keramik oder Kunststoff sollen einsetzbar sein.
- Es soll möglich sein, nicht als fotosensitiv bekannte Substratmaterialien zu verwenden.
- Das Verfahren soll es erlauben, das Gitter am Substrat zu erzeugen, das anschliessend beschichtet wird, oder das bereits beschichtete Substrat zu strukturieren.
- Bei der Herstellung von Koppelgittern durch Oberflächenablation soll es möglich sein, die Gittertiefe kleiner als 20 nm, insbesondere kleiner als 10 nm, zu wählen.
- Die Gitterfläche soll frei wählbar sein, vorzugsweise von 1 x 1 mm<2> bis 8 x 8 mm<2>.
- Die erfindungsgemässen Lichtleiterbauteile sollen hauptsächlich für die Sensorik geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren eingangs genannter Art gelöst, welches sich nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 auszeichnet, bzw. durch ein Lichtleiterbauteil obgenannter Art, das sich nach dem Wortlaut von Anspruch 17 auszeichnet.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 16, solche des erfindungsgemässen Bauteils in den Ansprüchen 18 bis 22 spezifiziert.

Die Erfindung wird anschliessend anhand von weiteren Figuren und Beispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine bekannte Lichtleiterstruktur im Querschnitt mit einem Beugungsgitter, zur Erläuterung der daran bei Lichtleitung auftretenden Verhältnisse;
Fig. 2a bis 2 c bekannte Beugungsgitterstrukturen an einem Lichtleiter gemäss Fig. 1;
Fig. 2d eine erste erfindungsgemässe Beugungsgitterstruktur;
Fig. 3a und 3b im Querschnitt und perspektivisch bekannte Lichtleiterstrukturen;
Fig. 4 in Aufsicht eine bekannte Interferometerstruktur;
Fig. 5 schematisch das erfindungsgemässe Vorgehen in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 6 schematisch das erfindungsgemässe Vorgehen in einer zweiten Ausführungsvariante;
Fig. 7 das erfindungsgemässe Vorgehen in einer dritten Ausführungsvariante;
Fig. 8 schematisch eine erfindungsgemässe Variante mit Einsatz einer Opferschicht;

Fig. 9 schematisch eine zweite mögliche Variante mit Einsatz einer Opferschicht.

Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird durch gleichzeitig örtlich periodisch intensitätsmoduliertes UV-Laserlicht, vorzugsweise Excimer-Laserlicht, der komplexe Brechwert in der Schicht und/oder an der Schicht, nämlich am Träger-Substrat, und/oder die Schichtdicke örtlich periodisch geändert. Der erfindungsgemässe Lichtleiterbauteil weist - gemäss Fig. 2d - eine durch eine periodische Änderung des Brechwertes der Schicht und/oder eines nicht als fotosensi tiv bekannten Trägersubstrates gebildete Beugungsgitterstruktur auf.

Als "gleichzeitig örtlich moduliert" wird eine flächige Modulation verstanden, bei der, ohne "Scannen", die Fläche gleichzeitig bearbeitet wird. Zeitsequenzielle Bearbeitung mittels eines oder mehrerer Pulse ist somit auch in diesem Sinne eine gleichzeitig-örtliche Bearbeitung.

Gemäss Fig. 5 wird die gleichzeitige räumliche Modulation des UV-Lichtes im Bereich 10 eines, wie dargestellt, mit der Schicht 2 beschichteten Trägersubstrates 1 oder an der Oberfläche des Trägersubstrates 1 vor dessen Beschichtung mit der Schicht 2 durch holografische Belichtung mittels zweier oder mehrerer kohärenter Laserlichtstrahlen 12a, 12b erreicht. Die Trennung und anschliessende Überlagerung zweier kohärenter Strahlen, wie schematisch mit den Spiegeln 14a und 14b bzw. dem Strahlteil 16 dargestellt, ist in der Literatur ausführlich beschrieben, z.B. in M. Born, E. Wolf, "Principles of Optics", 6th edition, Pergamon Press, S. 260 ff.

Demnach kann auch, wie in Fig. 6 dargestellt, die Strahlteilung und anschliessende Überlagerung zur Bildung der Gitterstruktur im erwünschten Bereich von Trägersubstrat und/oder Schicht mithilfe eines Fresnelschen Biprismas 18 erfolgen.

Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 7 dargestellt, gemäss welcher das beschichtete (dargestellt) und/oder unbeschichtete (nicht dargestellt) Substrat 1 dem gleichzeitig örtlich modulierten UV-Licht dadurch ausgesetzt wird, dass die Bestrahlung durch eine Maske 20 erfolgt. Dadurch, dass die Schicht und/oder das Trägersubstrat einer gleichzeitig auftreffenden, örtlich modulierten UV-Lichtbestrahlung ausgesetzt wird, wird eine bleibende örtliche Modulation des Bre chungsindexes an Schicht und/oder am Trägersubstrat erreicht, alternativ dazu oder ergänzend, eine Ablation von Material an der Schicht und/oder an der Oberfläche des unbeschichteten Trägersubstrates 1.

Dadurch, dass UV-Laserlicht, insbesondere Excimer-Laserlicht, eingesetzt wird und nicht eine andere intensive Lichtquelle, wird zudem erreicht, dass die thermische Beanspruchung des Trägersubstrates und des Schichtmaterials sehr klein gehalten wird. Dadurch wird Unabhängigkeit von den mechanischen und thermoplastischen Eigenschaften des Substrates erreicht, wozu auf Gerhardt, Lambda Physik Science Report, June 1991; M.C. Gower et al., Proc.SPIE, Vol. 1835, 1992, S. 132, hingewiesen sei.

Das erfindungsgemässe Vorgehen erlaubt die Herstellung von Gittern mit örtlich variierender Periode ebenso wie die Superposition von Gittern verschiedener Perioden, beispielsweise eines Gitters im Substrat-Oberflächenbereich mit einer ersten Periode und eines zweiten Gitters mit zweiter Periode in oder an der Schicht, oder von gekrümmten Gittern.

Für die Herstellung von Koppelgittern durch Profilierung sind dabei die Gittertiefen d gemäss den Fig. 2a und 2b im Allgemeinen kritisch, da die Koppeleffizienz davon stark abhängt. Typische Gittertiefen für Koppelgitter sind geringer als 10 nm. Haben nun das Substrat z.B. C7059 Glas und eine darauf aufgebrachte Schicht, beispielsweise aus TiO2, verschiedene Ablationsschwellen, erlaubt dies die genaue Einstellung der Gittertiefe durch Einsatz von "Opferschichten". Zuerst wird die Opferschicht mit einer Dicke entsprechend der gewünschten Gittertiefe auf das Substrat aufgebracht, wobei sich die Schichtdicke bei der Beschichtung sehr genau, beispielsweise auf 0,5 nm genau, einstellen lässt.

Ablatiert man nun diese dünne Schicht bis auf das Substrat, aber nicht tiefer, auf Grund der höheren Ablationsschwelle des Substrates, so kann man anschliessend das auf diese Art erzeugte Gitter noch mit dem optischen Wellenleiter in erwünschter Schichtdicke überschichten, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, mit der ablatierten Opferschicht 22 auf dem Substrat 1 und der gestrichelt dargestellten, gegebenenfalls noch aufgebrachten Schicht 2.

Wie in Fig. 9 dargestellt, kann, in Analogie, eine Opferschicht 22 auf der Wellenleiterschicht 2 aufgebracht werden, wenn das Material dieser Schicht 2 eine höhere Ablationsschwelle hat als die Opferschicht 22.

Beispiele;

1. Beispiel:

<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Trägersubstrat<SEP>C7059
<tb><SEP>Beschichtung:<SEP>Ta2O5-Schicht der Dicke 155 nm
<tb><CEL AL=L>Bestrahlungsquelle:<SEP>Excimer-Laser, 248 nm
<tb><SEP>Modulationstechnik:<SEP>Fresnelsches Biprisma gemäss Fig. 6
<tb><SEP>Energiedichte am Substrat:<SEP>50 mJ/cm<2>
<tb></TABLE>

Es ergab sich durch Ablation der Ta2O5-Schicht ein Beugungsgitter mit der Periode LAMBDA von 375 nm und einer Gittertiefe von 5 nm. Die Gitterstruktur war im Querschnitt dreieckförmig.

Die Beugungseffizienz mit Licht der Wellenlänge 633 nm war grösser als 0,1%; sie betrug ca. 2%.

2. Beispiel;

<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Trägersubstrat <SEP>C7059-Glas
<tb><SEP>Beschichtung:<SEP>TiO2, 125 nm
<tb><CEL AL=L>Bestrahlungsquelle:<SEP>Excimer-Laser 248 nm
<tb><SEP>Modulationstechnik:<SEP>Verwendung eines Fresnelschen Biprismas gemäss Fig. 6
<tb><SEP>Energiedichte am Substrat:<SEP>50 mJ/cm<2>
<tb></TABLE>

Es resultierte durch Ablation ein Beugungsgitter mit einer Gitterfläche von 8 x 8 mm<2> und einer Gitterperiode von 440nm bei einer Gittertiefe von 1nm. Die Beugungseffizienz für Licht mit lambda = 633 nm war wie in Beispiel 1.

3. Beispiel;

An Stelle des Substrates C7059 gemäss Beispiel 2 wurde Quarzglas eingesetzt und das erwähnte Beugungsgitter von Beispiel 2 mit einer Fläche von 1 x 8mm<2> erzeugt. Dabei läuft das Gitter parallel zur langen Flächenseite.

Auch hier war die Beugungseffizienz wie in Beispiel 1 angegeben.

Aus dem Quervergleich der Beispiele 1, 2 und 3 ist Folgendes erkenntlich:

1. Die erfindungsgemässe Herstellung des Beugungsgitters durch Ablation der Schicht ist weitestgehend unabhängig vom eingesetzten Trägersubstrat (Beispiele 1, 2: Glas; Beispiel 3: Quarz; s. auch Beispiel 6 ff.: Kunststoff).

2. Es gelingt, durch Begrenzung der Auftreffflache des örtlich modulierten Laserstrahles, vorzugsweise durch einfaches Vorsehen einer Blendenanordnung im Strahlengang des modulierenden Laserstrahles, sowohl eine relativ grosse Gitterfläche (Beispiel 2), d.h. wesentlich grösser als die Auftrefffläche eines eingekoppelten Laserstrahles ( PHI üblicherweise ca. 0,8 mm), herzustellen, wie auch (Beispiel 3) eine Gitterfläche, die in der einzig relevanten Ausdehnungsrichtung, nämlich quer zu den Gitterstreifen, ca. der Strahldurchmesser-Ausdehnung entspricht. Bei einer Gitterfläche, deren Ausdehnung quer zum Gitterprofil im Wesentlichen derjenigen des einzukoppelnden Laserstrahles entspricht, breitet sich das eingekoppelte Licht in der wellenleitenden Schicht z.B. bis zu einer vorgesehenen Auskopplungsstelle aus.

Eine grosse Gitterfläche kann bekanntlich im Sinne der W093/01487 als Sensorfläche wirken, wobei die mechanische Positionierung des einzukoppelnden Laserstrahles unkritisch ist und am selben Gitter wieder ein Teil des eingekoppelten Lichtes wieder ausgekoppelt wird.

Beide Vorgehen werden für die Analytik je nach beabsichtigter Technik eingesetzt.

4. Beispiel;

Unter Einsatz des gleichen Trägersubstrates, der gleichen Schicht und der gleichen Bestrahlungsquelle wie in Beispiel 3 wurde, wiederum unter Verwendung eines Fresnelschen Biprismas, mit einer Energiedichte am Substrat von 40 mJ/cm<2>, ein Beugungsgitter am beschichteten Trägersubstrat ohne sichtbare Ablation der Oberfläche mit einer Gitterfläche von 8 x 8 mm<2> erzielt.

Die Beugungseffizienz war etwas geringer als bei Beispiel 3, war aber weiterhin weit über 0,1%, lag nämlich bei ca. 1%.

Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, dass, wenn die Energiedichte des modulierenden Strahles unter die Ablationsschwelle des Schichtmaterials sinkt (50 mJ/cm<2> -> 40 mJ/cm<2>) , trotzdem ein effizientes Beugungsgitter entsteht. Dabei ist Quarzglas ebenso wenig wie C7059-Glas ein als eigens fotosensitiv bekanntes Material.

Der einzig mögliche Schluss aus dieser Beobachtung ist, dass der Brechungsindex der Schicht und/oder am nicht als eigens fotosensitiv bekannten Substrat bzw. an der Grenzfläche zwischen Substrat und Schicht durch den modulierenden Strahl örtlich moduliert wird.

5. Beispiel;

<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Trägersubstrat:<SEP>Quarzglas
<tb><SEP>Opferschicht:<SEP>3 nm TiO2 auf dem Trägersubstrat
<tb><SEP>Bestrahlungsquelle und Modulationstechnik: <SEP>wie Beispiel 3
<tb></TABLE>

Damit konnte durch Ablation der Opferschicht ein Beugungsgitter mit einer Gittertiefe von 3 nm erzielt werden, mit einer Gitterperiode von 440 nm.

6. Beispiel;

<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Trägersubstrat:<SEP>Polycarbonat
<tb><SEP>Beschichtung:<SEP>auf Substrat erst 10 nm Si02, dann 150 nm TiO2
<tb><SEP>Bestrahlungsquelle:<SEP>Excimer-Laser, 248 nm
<tb><SEP>Modulationstechnik:<SEP>Biprisma gemäss Fig. 6.
<tb></TABLE>

Durch Ablation der TiO2-Schicht entstand ein Beugungsgitter mit der Tiefe 5 nm. Die Beugungseffizienz war wie in Beispiel 2 angegeben.

Die SiO2-Zwischenschicht wurde vorgesehen, um die wellenleitende Schicht, hier aus TiO2, auf dem Polycarbonatsubstrat aufbringen zu können.

Weitere Beispiele;

Es wurde die Ablationsschwelle von TiO2 am modulierenden Laserstrahl unterschritten, und es resultierte durch Brechungsindexmodulation ein Beugungsgitter gemäss Beispiel 4.

Weiter wurde vor der SiO2-Beschichtung von Beispiel 6 durch Ablation an der Polycarbonat-Oberfläche die Gitterprofilierung mit einer Gittertiefe von 5 nm und der erwähnten Gitterperiode von 375 nm erzeugt und erst danach erst die SiO2-, dann die TiO2-Schicht aufgebracht. Die Beugungseffizienz des resultierenden Gitters war wie in Beispiel 2 angegeben: Die Profilierung der Polycarbonat-Oberfläche hatte sich über die SiO2- und die TiO2-Schicht, wie überprüft werden konnte, an die Oberfläche der TiO2-Schicht abgebildet.

Bereits dass sich ein Gitter mit einer Gittertiefe von 5 nm und der angegebenen Periode in Polycarbonat, einem Kunststoff, fertigen lässt, was mit dem erfindungsgemässen Vorgehen möglich ist, ist erstaunlich. Umso mehr noch, dass diese äusserst feine Profilierung trotz weiterer Beschichtungen im genannten Sinne abgebildet wird.

Bei allen Beugungsgittern gemäss den angeführten Beispielen konnte über die wellenleitende Schicht eine SiO2-Schicht aufgebracht werden, ohne zu berücksichtigende Beeinflussung der Beugungseffizienz des Beugungsgitters.

Damit ist auch an einem erfindungsgemäss gefertigten Beugungsgitter die Möglichkeit beibehalten, z.B. für die chemische Analytik, jeweils vertraute Sensor-Oberflächenmaterialien bereitzustellen.

Die wellenleitende Schicht oder eine gegebenenfalls darüber abgelegte Schicht niedrigerbrechenden Materials, wie insbesondere von SiO2, kann in bekannter Art porös oder dicht abgelegt werden, um, wie aus der Analytik bekannt, im ersten Fall einen hochempfindlichen, nicht selektiven, im zweiten einen hochselektiven, weniger empfindlichen Sensor zu realisieren. Diesbezüglich sei verwiesen auf R.E. Kunz, C.L. Du et al., Eurosensors 4, Paper B6.1; 1.-3.10.1990, Karlsruhe.

Im Weiteren genügte bereits ein kurzer Impuls des modulierenden Laserstrahles von z.B. 20 nsec, um die beschriebenen Gitter zu erzeugen: Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass jegliche Störungen, die sich mechanisch auf die Relativposition des Werkstückes, woran das Gitter zu erstellen ist, und des modulierenden Laserstrahles nicht auswirken können, wie beispielsweise mechanische Erschütterungen in einem Fertigungsbetrieb etc. Selbstverständlich kann bei genügender mechani scher Stabilität des optischen Systems auch eine Pulsserie eingesetzt werden.

Auch ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus möglich, ein Gitter auf einem planen Substrat für Ein- bzw. Auskoppeln von Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 1200 nm zu schaffen, vorzugsweise von unter 1000 nm, und dabei die wellenleitende Schicht z.B. mit Ge zu dotieren.

Durch Realisation einer örtlich variablen Periode des modulierenden Laserstrahles können ohne weiteres Gitter mit örtlich variierender Periode erstellt werden. Durch gezielte gekrümmte Auslegung des Modulationsmusters des modulierenden Laserstrahles können weiter erfindungsgemäss gekrümmte Gitter, gegebenenfalls kombiniert mit örtlich variierender Gitterperiode, erstellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiterbauteils mit einer Beugungsgitterstruktur zum Ein/Auskoppeln von Licht an mindestens einer Schicht auf einem Trägersubstrat, deren Material einen höheren Brechungsindex hat als die an die Schicht angrenzenden Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht und/oder das Trägersubstrat einer gleichzeitig, örtlich periodisch intensitätsmodulierten Bestrahlung mit UV-Laserlicht aussetzt, dabei die Periode der Intensitätsmodulation entsprechend der gewünschten Gitterperiode wählt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmodulation durch mindestens zwei miteinander interferierende UV-Laserstrahlen erzeugt wird oder mittels einer Maskenstruktur.

3.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das UV-Laserlicht mittels mindestens eines Excimer-Lasers erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das UV-Laserlicht in der Zeit ein oder mehrere Male gepulst wird, vorzugsweise mit einer Pulszeit von weniger als 1 mu sec, vorzugsweise weniger als 50 nsec, vorzugsweise von ca. 20 nsec.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man mit dem Laserlicht den Brechwert der Schicht und/oder mindestens im Oberflächenbereich des Trägersubstrates örtlich moduliert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man mit dem Laserlicht durch Ablation die Schichtdicke der Schicht mo duliert oder die Oberfläche des Substrates moduliert und dann die Schicht aufbringt.

7.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als Material der Schicht mindestens zu überwiegendem Anteil eines der folgenden einsetzt: TiO2, Ta2O5, HfO2, Al2O3, Nb2O5, Y2O3, ZrO2, den Nitriden von AI, Si, Hf bzw. deren Oxinitride oder Mischungen der erwähnten Materialien, auch mit SiO2.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Material der Schicht ein niedrigerbrechendes Material beimischt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen der Schicht und dem Substrat und/oder der Schicht und Umgebung eine weitere Schicht aufbringt, deren Material einen niedrigeren Brechungsindex hat als die ersterwähnte Schicht, vorzugsweise eine SiO2-Schicht.

10.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur an einem planen Substrat hergestellt wird zum Ein/Auskoppeln von Licht mit 400 nm </= lambda </=, 1200 nm, vorzugsweise mit lambda </= 1000 nm.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schicht halbleiterdotiert ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht mit Poren oder dicht aufbringt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man als Trägersubstratmaterial ein Glas, eine Keramik oder, mindestens zu überwiegendem Anteil, ein organisches Material einsetzt.

14.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Opferschicht bekannter Schichtdicke auf das Trägersubstrat oder auf die Schicht aufgebracht wird, mit einer tieferen Ablationsschwelle als Trägersubstrat bzw. als die Schicht, und dass die Opferschicht bis auf das Trägersubstrat bzw. die Schicht durch das Licht ablatiert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gitter mit variabler Periode oder gekrümmt herstellt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterfläche durch Blenden im UV-Laserlicht-Strahlengang vorgegeben wird.

17.

Lichtleiterbauteil, hergestellt nach einem der Ansprüche 1-16, mit einem mit mindestens einer Schicht beschichteten Trägersubstrat, wobei die Schicht am Trägersubstrat lichtleitend ist und bei dem eine Beugungsgitterstruktur vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter durch eine periodische Modulation des Brechwertes der Schicht gebildet ist und/oder durch eine periodische Modulation des Brechwertes eines nicht als fotosensitiv bekannten Trägersubstrates.

18. Lichtleiterbauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodizität des Beugungsgitters für die Ein/Auskopplung von Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 1200 nm ausgelegt ist, vorzugsweise von unter 1000 nm.

19.

Lichtleiterbauteil nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die hochbrechende Schicht einen Brechwert N >/= 1,65 für 633 nm Licht aufweist.

20. Lichtleiterabuteil nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die hochbrechende Schicht aus TiO2 oder Ta2O5 besteht.

21. Lichtleiterbauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen hochbrechende Schicht und Trägersubstrat und/oder auf der hochbrechenden Schicht eine niedriger brechende Schicht, vorzugsweise eine SiO2-Schicht aufgebracht ist.

22. Lichtleiterbauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat aus einem Glas, einer Keramik oder einem Kunststoff besteht.

23. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung holografischer Gitter.

24.

Verwendung des Lichtleiterbauteiles nach einem der Ansprüche 17 bis 22 als Sensor für die chemische Analytik.

25. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung von Gittern an Lichtleiterbauteilen mit relevantem evaneszentem Feld.