Fabrikation und Integration von mechanisch-optischen Strukturen zur Kopplung von VCSELs mit Glasfasern Denis Wohlfeld, K.-H. Brenner Lehrstuhl für Optoelektronik, Universität Mannheim

Übersicht Zielsetzung Konzept Prototyp Dämpfung Industrielle Herstellung Zusammenfassung

Hybride Integration von Fasern und opto-elektronischen Elementen 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

Abmessungen und Größenverhältnisse Konzept Abmessungen und Größenverhältnisse VCSEL Abmessungen ~ 250 m, Strahldivergenz ~10° - 20° Multimodefaser Ø 125 m, Kern Ø 62.5 m Current Top Mirror Laser Cavity Botton Mirror Gain Region 10 m Vertical Cavity Surface Emitting Laser U-L-M - Photonics

Bekannte Verfahren und deren Problematiken Konzept Bekannte Verfahren und deren Problematiken Mikropositionierung von Glasfaser mit Quelle/Sender Reproduzierbarkeit Handhabung und Großserienproduktion PAROLI Module Infineon PAROLI - intern Infineon 45° Fasern mittels Laser TycoElectronics

Kopplung von VCSEL an Glasfasern Konzept Kopplung von VCSEL an Glasfasern 45° Spiegelelement mit Glasfaserhalterung Strukturhöhe von 125 mm 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

UV-Tiefenlithographie Prototyp UV-Tiefenlithographie Epoxy basierender Negativ-Photoresist UV-Belichtung ~365nm- 400nm Brechungsindex n = 1.69 Belichtung Entwickeln SU-8 Molekül Struktur

Prototyp Schrägbelichtung Aufgrund von Brechung ist der Winkel a auf < 36° beschränkt, benötigt werden 45° Maske Resist Substrat SU-8 Belichtungsaufbau Schrägstrukturen

Prototyp Schrägbelichtung Einkoppelprisma, Einkoppelwinkel d ~ 59° Indexmatching zwischen den Grenzschichten notwendig (bsp. H2O) Prisma Maske Resist Substrat Belichtungsaufbau

Haltestrukturen unter dem Mikroskop Prototyp Haltestrukturen unter dem Mikroskop 150 m 50 m Großaufnahme einer Haltestruktur Seitenaufnahme des Spiegels

h1 h2 Dämpfung Einfügedämpfung h1: Dämpfung durch Streuung und Absorption am Koppelelement h2: Dämpfung durch Strahlaufweitung (VCSEL Strahldivergenz ~ 20°) h1 h2 Quelle Koppelelement Fasereinkopplung

Dämpfung Messung von h1 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 Ansicht der Strukturen von unten mit eingelegter, lichtleitender Faser Array von Spiegel-Haltestrukturen

Dämpfung Berechnung von h2 Strahlprofil: Gauss Ausbreitung: Fresnel-Näherung Spiegel VCSEL Kern Faser VCSEL-Strahldivergenz Prozentualer Leistungsverlust mit zunehmender Distanz z

Industrielle Herstellung Replikation - Spritzgussverfahren Spritzgussverfahren ermöglichen eine kostengünstige Replikation Hierfür darf es keine Unterhöhlungen (grüne Bereiche) geben Dies wird durch eine Doppelbelichtung schräg/senkrecht erreicht Einzelbelichtung Doppelbelichtung

Industrielle Herstellung Verringerung des Alignment-Aufwands in der Produktion 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

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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