DE19544125A1

DE19544125A1 - Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters, Lichtleiterbauteil sowie deren Verwendungen

Info

Publication number: DE19544125A1
Application number: DE19544125A
Authority: DE
Inventors: Johannes Edlinger; Helmut Rudigier
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2015-11-28
Also published as: DE19544125B4; GB2295904B; GB9525087D0; JPH08220317A; JP3902678B2; JP2006251827A; CH693368A5; GB2295904A; US5675691A

Description

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

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, läßt sich Licht, ana log zur Glasfaser, auch in Schichten 2 auf planaren Substra ten führen, vorausgesetzt, der Brechwert der Schicht ist ho her 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 Fels des geführten Modes bezeichnet, der im Umgebungsmedium läuft. Das evaneszente Feld von hochbrechen den 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 Wellen leitern, die in der Kommunikationstechnik verwendet werden, die in die Umgebung evaneszente Intensität sehr klein.

Um eine geführte Lichtwelle anzuregen, muß Licht, vorzugs weise ein Laserstrahl 11, in die Schicht ein- und/oder ausge koppelt 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 mit Hilfe eines Kop pelgitters 6. Davon erscheint die Einkopplung mittels Koppel gitter für analytische Massenanwendungen am günstigsten, da dabei auf aufwendige mechanische Justierungen verzichtet wer den kann. Die Wirkung eines Koppelgitters besteht darin, daß ein Teil des einfallenden Lichtes durch Diffraktion in die hochbrechende Schicht eingekoppelt wird. Die genaue Wirkungs weise von Gitterkopplern wird z. B. in T. Tamir, S. T. Peng, Appl. Phys. 14, 235-254 (1977), beschrieben.

Definition

Als hochbrechende dielektrische Schicht bezeichnet man Schich ten mit einem Brechwert, der mindestens 10% höher ist als der Brechwert des Substrats.

Für häufig verwendete Substrate mit einem Brechwert von N_substrat ≈ 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 in Frage wie deren Oxinitride. Ebenso werden Mischungen, z. B. TiO₂ und SiO₂₁ mit der Möglichkeit, den Brechwert je nach Mischungsverhältnis einzustellen, verwendet. Wird dem Mate rial der hochbrechenden, dielektrischen Schicht ein an sich als niedrigbrechendes, wie SiO₂, beigefügt, dann nur in dem Umfang, als daß die angesprochene Schicht "hochbrechend" bleibt.

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. Insbe sondere ist es z. B. möglich, zwischen Substrat und hochbre chender Schicht und/oder zwischen Umgebung und hochbrechender Schicht dünne Zwischenschichten aus SiO₂ einzuführen, z. B. gemäß der WO 92/19976.

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

Als Substratmaterialien kommen z. B. Silizium, verschiedene Gläser, Keramikmaterialien oder Kunststoffe, z. B. Polykarbo nat, PMMA, Polystyrol etc., in Frage.

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 darge stellt, 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 struktu riertes Substrat mit wellenleitender Schicht 2 versehen ist, wirken ebenso als Koppelgitter.

Die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch industrielle Ausführun gen, z. B. gemäß EP-A-0 226 604.

In Fig. 2a ist eine Anordnung dargestellt, bei der das Sub strat 1 zuerst beschichtet wird. Dann wird, z. B. durch Photo lithographie und anschließendes Ätzen, die Schichtdicke der hochbrechenden Schicht 2 periodisch variiert. Dadurch ent steht ein "Gitter im Wellenleiter", GIW. Die räumliche Git terperiode A 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 N_substrat = 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 Git terkopplern findet man z. B.

- bei Sensoren mit Gitterkopplern (EP-0 226 604 B1);
- bei Sensoren, die ein holographisches Gitter mit einem beschichteten Substrat verwenden, WO 93/01487, 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 generie ren, z. B. Absorption, um die absolute, in einem Wellen leiter laufende Intensität zu messen;
- in Form einer Zusammenfassung möglicher Sensorprinzipien mit einer Verbreitung der Koppelgittern auf allgemeinere diffraktive Strukturen in R. E. Kunz, Proc. SPIE, Vol. 1587 (1992) oder WO 92/19976.

Wie in Fig. 3a im Ausschnitt und in Fig. 3b perspektivisch und schematisch dargestellt, kann bei diesen Beispielen ent weder das Einkoppelgitter 6 oder ein Auskoppelgitter 7 oder die Fläche 8, in der der geführte Mode läuft, als Sensorflä che wirken. Ebenso kann nach WO 93/01487 auch ein holographi sches Gitter als Sensorfläche wirken.

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

Der Herstellungsprozeß von solchen integriert optischen Sen soren 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. Photolithographie

Auf Substraten aus Mineralglas oder Keramik werden Ober flächenreliefstrukturen gemäß den Fig. 2a, 2b, 3 und 4 durch photolithographische Techniken hergestellt. Dazu wird das gegebenenfalls beschichtete Substrat belackt, dann belichtet und entwickelt und anschließend geätzt.

Im letzten Schritt wird der Photolack 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 vorge schlagen, Koppelgitter aus Plastik herzstellen und an schließend zu beschichten. Das hat den Vorteil, daß für Plastiksubstrate billige Replikationstechniken ver fügbar sind, z. B. Prägen, Spritzgießen oder Gießen.

Kunststoff als Substratmaterial hat auch Nachteile: Die mechanischen Eigenschaften des Substrats sind weniger ge nau 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 Stem pel, deren Herstellung teuer ist. Dazu können die Struk turiermethoden Oberflächenrauhigkeiten 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 Oberflächenre liefstrukturen in Polymeren durch UV-Laser-Ablation (Prospekt der Fa. EXITEC Ltd., Hanborough Park, Long Hanborough, OX8 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 photosensitiven Substratmaterial mit UV-Licht, um eine Brechwertmodulation, wie in Fig. 2c mit Bereichen 9 und 9a unterschiedlicher Brechungsindizes im Substrat 1 dar gestellt, herzustellen. Zu diesem Zweck gibt es speziel le, als solche bekannte photosensitive Gläser und Poly mere (Photolacke).

- 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. Phy. Lett. 32 (10, 15 May 1978, S. 647). Die Änderung besteht dabei im wesentlichen in einer zeit lich stabilen Änderung des Brechwerts (Δn ≈ 10^-2) des Ge-dotierten SiO₂-Kerns der Faser. Durch geeignete Be leuchtung der Faser mit interferierenden Excimer-Laser strahlen kann man Phasengitter direkt im Kern der Glas faser erzeugen. Mit Hilfe ein oder mehrerer Phasengitter lassen sich eine Reihe von Bauteilen herstellen: Reflek toren, Resonatoren, Gitterkoppler, Multiplexer.

- Solche Bauteile werden bei 1330 nm und 1550 nm Wel lenlänge betrieben und sind dafür ausgelegt.
- Die Änderung des Brechwertes ist an die Ge-Dotie rung gebunden, ohne die das Verfahren nicht funk tioniert.
- Der Kern der Glasfaser ist in den niederbrechenden Mantel eingebettet.
- Anwendung finden solcherart hergestellte Bauteile in der Kommunikationstechnik.

Es wird auf folgende Schriften verwiesen:

- "Applied Physics Letters", Bd. 63, Nr. 13, 27. September 1993, S. 1727-1729, XP 000397774, Mizrahi V et al, "Ultraviolet laser fabrication of ultrastrong optical fiber gratings and of germania-doped channel wave guides";
- Patent Abstracts of Japan, Vol. 009, Nr. 024 (P-331), 31. Januar 1985, & JP,A,59 168403 (Sumitomo Denki Kogyo KK), 22. September 1984;
- EP-A-0 569 182 (American Telephone & Telegraph), 10. No vember 1993;
- US-A-5 178 978 (Zanoni Raymond et al), 12. Januar 1993;
- Database WPI, Section Ch, Week 9305, Derwent Publica tions Ltd., London, GB; Class A89, AN 93-040920, & JP-A- 04 366 637 (Komatsu Seiren KK), 18. Dezember 1992;
- "Applied Physics Letters", Bd. 59, Nr. 16, 14. Oktober 1991, S. 1929-1931, XP 000257407, Youden K E et al, "Epitaxial growth of BI12GE020 thin-film optical wave guides using excimer laser ablation".

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein billiges, für eine Massenproduktion geeignetes Verfahren zur Herstellung von Ein-/Auskoppelgittern in hochbrechenden di elektrischen Schichten/Schichtsystemen - also nicht in orga nischen Schichten, wie z. B. Fotolacke - mit folgenden Eigen schaften zu finden:

- die Geometrie soll eine beliebige Raumfläche sein kön nen, bevorzugterweise aber planar sein.
- Es soll keine Ge-Dotierung der hochbrechenden wellenlei tenden Schicht wie bei den Glasfasern notwendig sein, verschiedene hochbrechende dielektrische Schichtmateria lien sollen direkt auch ohne Dotierung strukturierbar sein.
- Es soll die Möglichkeit bestehen, die Gitter so auszule gen, 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 Kunst stoff sollen einsetzbar sein.
- Es soll möglich sein, nicht als photosensitiv 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 Oberflächen ablation 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 × 1 mm² bis 8 × 8 mm².
- Die erfindungsgemäßen Lichtleiterbauteile sollen haupt sächlich für die Sensorik geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren eingangs genannter Art gelöst, welches sich nach dem kennzeichnenden Teil von An spruch 1 auszeichnet, bzw. durch ein Lichtleiterbauteil obenge nannter Art, das sich nach dem Wortlaut von Anspruch 17 aus zeichnet.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Ver fahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 16, solche des erfin dungsgemäßen Bauteils in den Ansprüchen 18 bis 22 spezifi ziert.

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 Erläute rung der daran bei Lichtleitung auftretenden Ver hältnisse;

Fig. 2a bis 2c bekannte Beugungsgitterstrukturen an einem Licht leiter gemäß Fig. 1;

Fig. 2d eine erste erfindungsgemäße Beugungsgitterstruk tur;

Fig. 3a und 3b im Querschnitt und perspektivisch bekannte Licht leiterstrukturen;

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 Ein satz einer Opferschicht.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch gleichzei tig örtlich periodisch intensitätsmoduliertes UV-Laserlicht, vorzugsweise Excimer-Laserlicht, der komplexe Brechwert in der Schicht und/oder an der Schicht, nämlich am Trägersub strat, und/oder die Schichtdicke örtlich periodisch geändert. Der erfindungsgemäße Lichtleiterbauteil weist - gemäß Fig. 2d - eine durch eine periodische Änderung des Brechwertes der hochbrechenden dielektrischen Schicht und/oder eines nicht als photosensitiv bekannten Trägersubstrates gebildete Beugungsgitterstruktur auf.

Als "gleichzeitig örtlich moduliert" wird eine flächige Modu lation verstanden, bei der, ohne "Scannen", die Fläche gleich zeitig bearbeitet wird. Zeitsequentielle 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 Ober fläche des Trägersubstrates 1 vor dessen Beschichtung mit der Schicht 2 durch holographische 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 ausführ lich 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 Strahltei lung und anschließende Überlagerung zur Bildung der Gitter struktur im erwünschten Bereich von Trägersubstrat und/oder Schicht mit Hilfe eines Fresnelschen Biprismas 18 erfolgen.

Eine weitere bevorzugte Möglichkeit ist in Fig. 7 darge stellt, 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. Da durch, daß die Schicht und/oder das Trägersubstrat einer gleichzeitig auftreffenden, örtlich modulierten UV-Lichtbe strahlung ausgesetzt wird, wird eine bleibende örtliche Modu lation des Brechungsindexes an Schicht und/oder am Trägersub strat erreicht, alternativ dazu oder ergänzend, eine Ablation von Material an der Schicht und/oder an der Oberfläche des unbeschichteten Trägersubstrates 1. Wie erwähnt, ist dies die bevorzugte Vorgehensweise.

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 Su perposition von Gittern verschiedener Periode, 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 allge meinen 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, aufgrund der höheren Ablationsschwelle des Substrates, so kann man anschließend das auf diese Art er zeugte Gitter noch mit dem optischen Wellenleiter in er wünschter Schichtdicke überschichten, wie dies in Fig. 8 dar gestellt 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 Opfer schicht 22 auf der Wellenleiterschicht 2 aufgebracht werden, wenn das Material dieser Schicht 2 eine höhere Ablations schwelle hat als die Opferschicht 22.

Beispiele 1. Beispiel

Trägersubstrat C7059
Beschichtung: Ta₂O₅-Schicht der Dicke 155 nm
Bestrahlungsquelle: Excimer-Laser, 248 nm
Modulationstechnik: Fresnelsches Biprisma gemäß Fig. 6
Energiedichte am Substrat: 50 mJ/cm²

Es ergab sich durch Ablation der Ta₂O₅-Schicht ein Beugungs gitter mit der Periode A 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

Trägersubstrat C7059-Glas
Beschichtung: TiO₂, 125 nm
Bestrahlungsquelle: Excimer-Laser 248 nm
Modulationstechnik: Verwendung eines Fresnelschen Biprismas gemäß Fig. 6
Energiedichte am Substrat: 50 mJ/cm²

Es resultierte durch Ablation ein Beugungsgitter mit einer Gitterfläche von 8 × 8 mm² und einer Gitterperiode von 440 nm bei einer Gittertiefe von 1 nm. Die Beugungseffizienz für Licht mit λ = 633 nm war wie in Beispiel 1.

3. Beispiel

Anstelle des Substrates C7059 gemäß Beispiel 2 wurde Quarz glas eingesetzt und das erwähnte Beugungsgitter von Beispiel 2 mit einer Fläche von 1 × 8 mm² erzeugt. Dabei läuft das Gitter parallel zur langen Flächenseite.

Auch hier war die Beugungseffizienz wie in Beispiel 1 angege ben.

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

1. Die erfindungsgemäße Herstellung des Beugungsgitters durch Ablation der Schicht ist weitgehendst unabhängig vom eingesetzten Trägersubstrat (Beispiele 1, 2: Glas; Beispiel 3: Quarz; s. auch Beispiel 6 ff.: Kunststoff).
2. Es gelingt, durch Begrenzung der Auftrefffläche des ört lich modulierten Laserstrahles, vorzugsweise durch ein faches Vorsehen einer Blendenanordnung im Strahlengang des modulierenden Laserstrahles, sowohl eine relativ große Gitterfläche (Beispiel 2), d. h. wesentlich größ er als die Auftrefffläche eines eingekoppelten Laser strahles (Φ üblicherweise ca. 0,8 mm), herzustellen, wie auch (Beispiel 3) eine Gitterfläche, die in der einzig relevanten Ausdehnungsrichtung, nämlich quer zu den Git terstreifen, ca. der Strahldurchmesser-Ausdehnung ent spricht. Bei einer Gitterfläche, deren Ausdehnung quer zum Gitterprofil im wesentlichen derjenigen des einzu koppelnden 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 WO 93/01487 als Sensorfläche wirken, wobei die mechani sche Positionierung des einzukoppelnden Laserstrahles un kritisch ist und am selben Gitter wieder ein Teil des eingekoppelten Lichtes wieder ausgekoppelt wird.

Beide Vorgehen werden für die Analytik je nach beabsich tigter 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 Bipris mas, mit einer Energiedichte am Substrat von 40 mJ/cm², ein Beugungsgitter am beschichteten Trägersubstrat ohne sichtbare Ablation der Oberfläche mit einer Gitterfläche von 8 × 8 mm² er zielt.

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 Energie dichte des modulierenden Strahles unter die Ablationsschwelle des Schichtmaterials sinkt (50 mJ/cm² → 40 mJ/cm²), trotzdem ein effizientes Beugungsgitter entsteht. Dabei ist Quarzglas ebensowenig wie C7059-Glas ein als eigens photosensitiv be kanntes Material.

Der einzig mögliche Schluß aus dieser Beobachtung ist, daß der Brechungsindex der Schicht und/oder am nicht als eigens photosensitiv bekannten Substrat bzw. an der Grenzfläche zwi schen Substrat und Schicht durch den modulierenden Strahl örtlich moduliert wird.

5. Beispiel

Trägersubstrat: Quarzglas
Opferschicht: 3 nm TiO₂ auf dem Trägersubstrat
Bestrahlungsquelle und Modulationstechnik: wie Beispiel 3

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

6. Beispiel

Trägersubstrat: Polycarbonat
Beschichtung: auf Substrat erst 10 nm SiO₂, dann 150 nm TiO₂
Bestrahlungsquelle: Excimer-Laser, 248 nm
Modulationstechnik: Biprisma gemäß Fig. 6.

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 wellenlei tende 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 Bre chungsindexmodulation ein Beugungsgitter gemäß Beispiel 4.

Weiter wurde vor der SiO₂-Beschichtung von Beispiel 6 durch Ablation an der Polycarbonat-Oberfläche die Gitterprofilie rung mit einer Gittertiefe von 5 nm und der erwähnten Gitter periode 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 Kunst stoff, fertigen läßt, was mit dem erfindungsgemäßen Vorge hen möglich ist, ist erstaunlich. Um so 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 auf gebracht werden, ohne zu berücksichtigende Beeinflussung der Beugungseffizienz des Beugungsgitters.

Damit ist auch an einem erfindungsgemäß gefertigten Beu gungsgitter die Möglichkeit beibehalten, z. B. für die chemi sche Analytik, jeweils vertraute Sensor-Oberflächenmateria lien bereitzustellen. Wird eine niedrigbrechende Schicht, z. B. und bevorzugt aus SiO₂, vorgesehen, so wird bevorzugter weise ihre Dicke zu höchstens 20 nm gewählt.

Die wellenleitende Schicht oder eine gegebenenfalls darüber abgelegte Schicht niedrigerbrechenden Materials, wie insbe sondere von SiO₂, kann in bekannter Art porös oder - und be vorzugt - dicht abgelegt werden, um, wie aus der Analytik be kannt, im ersten Fall einen hochempfindlichen, nicht selekti ven, 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 modulieren den Laserstrahles von z. B. 20 nsec, um die beschriebenen Git ter zu erzeugen: Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß jeg liche Störungen, die sich mechanisch auf die Relativposition des Werkstückes, woran das Gitter zu erstellen ist, und des modulierenden Laserstrahles nicht auswirken können, wie bei spielsweise mechanische Erschütterungen in einem Fertigungs betrieb 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 modu lierenden Laserstrahles können ohne weiteres Gitter mit ört lich variierender Periode erstellt werden. Durch gezielte ge krümmte Auslegung des Modulationsmusters des modulierenden Laserstrahles können weiter erfindungsgemäß gekrümmte Git ter, gegebenenfalls kombiniert mit örtlich variierender Git terperiode, erstellt werden.

Wird der dielektrischen, hochbrechenden Schicht als Material komponente ein all niedrigbrechend bekanntes Material beige fügt, dann nur in dem Umfang, als daß die Schicht wie defi niert hochbrechend bleibt.

Obwohl nicht notwendig, kann das Material der Schicht Halb leiter-dotiert werden, um eine Vergrößerung der Empfindlich keit im UV-Bereich anzustreben.

Als Schichtmaterialkomponenten kommen bevorzugt in Frage: TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂, Al₂O₃, Nb₂O₅, Y₂O₃, ZrO₂, die Nitride von Al, Si, Hf bzw. deren Oxinitride oder Mischungen der erwähn ten Materialien.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Beugungsgitterstruktur zum Ein/Auskoppeln von Licht an mindestens einer hochbrechen den dielektrischen Schicht auf einem Trägersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß man die hochbrechende dielektrische Schicht und/oder das Trägersubstrat einer gleichzeitig, ört lich periodisch intensitätsmodulierten Bestrahlung mit UV- Laserlicht aussetzt, dabei die Periode der Intensitätsmodula tion 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, letzteres bevorzugterweise.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das UV-Laserlicht mittels mindestens eines Excimer-Lasers erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das UV-Laserlicht in der Zeit ein oder mehrere Male gepulst wird, vorzugsweise mit einer Pulszeit von weniger als 1 µsec, vorzugsweise weniger als 50 nsec, vor zugsweise von ca. 20 nsec.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß man mit dem Laserlicht den Brechwert der hochbrechenden Schicht und/oder mindestens im Oberflächenbe reich des Trägersubstrates örtlich moduliert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß man mit dem Laserlicht durch Ablation die Schichtdicke der mindestens einen hochbrechenden Schicht mo duliert oder die Oberfläche des Substrates moduliert und dann die hochbrechende Schicht aufbringt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß man mindestens als eine Komponente des Ma terials der hochbrechenden dielektrischen Schicht eines der folgenden einsetzt:
TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂₁ Al₂O₃, Nb₂O₅, Y₂O₃, ZrO₂, den Nitriden von Al, Si, Hf bzw. deren Oxinitride oder Mischungen der erwähn ten Materialien.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß man einem hochbrechenden Material der hochbrechenden Schicht ein niedrigbrechendes Material bei mischt, vorzugsweise SiO₂.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß man zwischen hochbrechende Schicht und Substrat und/oder hochbrechende Schicht und Umgebung eine niedrigbrechende Schicht, vorzugsweise eine SiO₂-Schicht, aufbringt, mit einer Dicke vorzugsweise von höchstens 20 nm.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gitterstruktur an einem planen Sub strat hergestellt wird zum Ein/Auskoppeln von Licht mit 400 nm λ 1200 nm, vorzugsweise mit λ 1000 nm.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Material der hochbrechenden Schicht halbleiterdotiert ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß man die hochbrechende Schicht mit Poren oder aber bevorzugterweise dicht aufbringt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, 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 ge kennzeichnet, daß eine Opferschicht bekannter Schichtdicke auf das Trägersubstrat oder auf die hochbrechende Schicht auf gebracht wird, mit einer tieferen Ablationsschwelle als Trä gersubstrat bzw. hochbrechende Schicht, und daß die Opfer schicht bis auf das Trägersubstrat bzw. die hochbrechende Schicht durch das Licht ablatiert wird.

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

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gitterfläche durch Blenden im UV-Laser licht-Strahlengang vorgegeben wird.

17. Lichtleiterbauteil mit einem mit mindestens einer di elektrischen hochbrechenden Schicht beschichteten Trägersub strat, wobei die Schicht am Trägersubstrat lichtleitend ist und bei dem eine Beugungsgitterstruktur vorgesehen ist, da durch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter durch eine pe riodische Modulation des Brechwertes der Schicht gebildet ist und/oder durch eine periodische Modulation des Brechwertes eines nicht als photosensitiv bekannten Trägersubstrates.

18. Bauteil 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 ausge legt ist, vorzugsweise von unter 1000 nm.

19. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die hochbrechende Schicht einen Brechwert N 1,65 für 633 nm Licht aufweist.

20. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die hochbrechende Schicht aus TiO₂ und/ oder Ta₂O₅ besteht.

21. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen hochbrechende Schicht und Träger substrat und/oder auf der hochbrechenden Schicht eine niedri ger brechende Schicht, vorzugsweise eine SiO₂-Schicht aufge bracht ist, letztere vorzugsweise mit einer Dicke von höch stens 20 nm.

22. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch ge kennzeichnet, daß das Trägersubstrat aus einem Glas, einer Keramik oder einem Kunststoff besteht.

23. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung holographischer Gitter.

24. Verwendung des Bauteiles nach einem der Ansprüche 17 bis 22 als Sensor, vorzugsweise mit relevantem evaneszentem Feld, insbesondere für die chemische Analytik.

25. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung von Gittern an Lichtleiter-Bauteilen mit relevantem evaneszentem Feld.