Lehrstuhl für Optoelektronik MST 2005 - Freiburg 1 Fabrikation und Integration von mechanisch-optischen Strukturen zur Kopplung von VCSELs mit Glasfasern

Lehrstuhl für OptoelektronikMST 2005 - Freiburg

1

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


8

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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