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Lehrstuhl für OptoelektronikMST 2005 - Freiburg
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Fabrikation und Integrationvon mechanisch-optischen Strukturen
zur Kopplung von VCSELs mit GlasfasernDenis Wohlfeld, K.-H. Brenner
Lehrstuhl für Optoelektronik, Universität Mannheim
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Übersicht
• Zielsetzung
• Konzept
• Prototyp
• Dämpfung
• Industrielle Herstellung
• Zusammenfassung
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Zielsetzung
Hybride Integration von Fasern und opto-elektronischen Elementen
Eigenschaften:
• Mikrointegration
• Kopplung parallel zum Substrat (90° Umlenkung)
• Passives Alignment
• Waferscale-Montage
• Platzsparend, hohe Verbindungsdichte möglich
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Konzept
• VCSEL Abmessungen ~ 250 m, Strahldivergenz ~10° - 20°
• Multimodefaser Ø 125 m, Kern Ø 62.5 m
Abmessungen und Größenverhältnisse
Current
Top MirrorLaser Cavity
Botton Mirror
GainRegion
Vertical Cavity Surface Emitting Laser
10 m
U-L-M - Photonics
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Konzept
• Mikropositionierung von Glasfaser mit Quelle/Sender
• Reproduzierbarkeit
• Handhabung und Großserienproduktion
Bekannte Verfahren und deren Problematiken
PAROLI ModuleInfineon
PAROLI - internInfineon
45° Fasern mittels LaserTycoElectronics
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Konzept
• 45° Spiegelelement mit Glasfaserhalterung
• Strukturhöhe von 125 m
• Fixierung in allen 3 Dimensionen (x,y,z), UV-Kleber
• Totalreflektion mittels Indexmatching zwischen Faser und Spiegel oder Wahl eines reflektierenden Materials
• Kein Polieren der Glasfaser notwendig
Kopplung von VCSEL an Glasfasern
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Prototyp
• Epoxy basierender Negativ-Photoresist
• UV-Belichtung ~365nm- 400nm
• Brechungsindex n = 1.69
CH2CHC2
O
O
HC - C- CH3 3
O
CH2CHC2
O
CH2
CH2CHC2
O
O
HC - C- CH3 3
O
CH2CHC2
O
H
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Belichtung
Entwickeln
StrukturSU-8 Molekül
UV-Tiefenlithographie
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Prototyp
arcsin AirMax
SU -8
n
n
SU-8
Schrägstrukturen
• Aufgrund von Brechung ist der Winkel auf < 36° beschränkt,benötigt werden 45°
Schrägbelichtung
Belichtungsaufbau
MaskeResistSubstrat
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Prototyp
• Einkoppelprisma, Einkoppelwinkel ~ 59°
• Indexmatching zwischen den Grenzschichten notwendig (bsp. H2O)
Schrägbelichtung
( 45 ) 58.9
Belichtungsaufbau
MaskeResistSubstrat
0 10 20 30 40 50 600
20
40
60
80
Grad
Grad
Prisma
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Prototyp
Haltestrukturen unter dem Mikroskop
150 m
Großaufnahme einer Haltestruktur Seitenaufnahme des Spiegels
50 m
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Dämpfung
Einfügedämpfung
Quelle
• : Dämpfung durch Streuung und Absorption am Koppelelement
• : Dämpfung durch Strahlaufweitung (VCSEL Strahldivergenz ~ 20°)
Koppelelement Fasereinkopplung
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Dämpfung
• Einkopplung in polierte Faser und Messung der Leistung P1 am Ausgang
• Einkleben der Faser in die Haltestruktur und Messung der Leistung P2 nach der Reflektion
• Dämpfung < 0.8 dB
Array von Spiegel-Haltestrukturen Ansicht der Strukturen von unten miteingelegter, lichtleitender Faser
Messung von
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Dämpfung
• Strahlprofil: Gauss
• Ausbreitung: Fresnel-Näherung
Berechnung von
VCSEL
Faser
Kern
Spiegel
2,E u x y dx dy
20 , 15 , 62.5FWHM effVCSEL µm Faser µm
VCSEL-Strahldivergenz Prozentualer Leistungsverlustmit zunehmender Distanz z
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Industrielle Herstellung
Replikation - Spritzgussverfahren
Einzelbelichtung
• Spritzgussverfahren ermöglichen eine kostengünstige Replikation
• Hierfür darf es keine Unterhöhlungen (grüne Bereiche) geben
• Dies wird durch eine Doppelbelichtung schräg/senkrecht erreicht
Doppelbelichtung
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Industrielle Herstellung
• Anpassung des Bestückungsrasters an die VCSEL auf dem Wafer
• Befestigen der Haltestrukturen auf einem dünnen Glassubstrat
• Einmaliges Alignment zwischen Wafer und Glassubstrat
• Fixierung und Verkleben des Glassubstrats auf dem Wafer
• Vereinzelung
Verringerung des Alignment-Aufwands in der Produktion
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Zusammenfassung
• Kostengünstige Realisierung einer optischen Ankopplung zwischen Quelle/Empfänger und Glasfasern
• Kein aufwendiges Mikropositionieren nötig
• Industrielle Verwendung durch Spritzgussverfahren möglich
• Dämpfung des Koppelelement < 0.8 dB
• Prototyp bereits realisiert
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Acknowledgment
We acknowledge the support of the European Community-
Research Infrastructure Activity under the FP6
"Structuring the European Research Area" programme
(HadronPhysics, contract number RII3-CT-2004-506078).
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