Beschreibung
Optische Datenübertragung in elektrooptischen Leiterplatten ermöglicht es auf kurzen Distanzen hohe Datenraten zu erreichen. Neben den faserbasierten und lithographischen Herstellungsverfahren ist es seit kurzem möglich Leiterplatten auch mittels Drucktechnik kostengünstig und produktiv optisch zu funktionalisieren. Eine wesentliche Herausforderung bleibt jedoch die Umsetzung der Aufbau- und Verbindungstechnik zur optischen Ein- und Auskopplung in Lichtwellenleiter, die höheren Anforderungen unterliegt, als die herkömmliche elektronische Bestückungstechnik. Die qualifizierten optischen Sender (Laserdioden) und Empfänger (Photodioden) sind oberflächenaktiv und benötigen daher für eine Stirnflächenkopplung eine Umlenkung des Lichtstrahls bzw. eine senkrecht verdrehte Einbauposition. Gängige Packages die eine Rotation des Bauelements umsetzen weisen nicht die notwendigen Formfunktionalisierungen auf, die für eine passive optische Bestückung notwendig wären. 3D-Mechatronic Integrated Devices (MID) bieten vielseitige Form- und Leiterbahnenstrukturen bei gleichzeitig hoher Geometriequalität und bieten sich daher als besonders gut als optischer Kopplungssubmount für gedruckte Lichtwellenleiter an. Wesentliche Herausforderung für die Forschung ist zu überprüfen, ob durch die Synchronisation und Auslegung der Form und Funktion des MID und der elektrooptischen Leiterplatte ein passiver Bestückungsprozess für die Justage genutzt werden kann. Weiterhin ist zu erforschen, inwiefern ein MID in Anbetracht der geometrisch vordefinierten Form und des limitierten Bauraums eine elektrische Abschirmung, den Einsatz von integrierter Treiberelektronik, das Thermomanagement und das Packaging für die optischen Komponenten gewährleisten kann.
Bild: Konzept für passiv kontaktierte Wellenleiter; Quelle: Leibniz Universität Hannover (ITA)
Im Rahmen dieses Vorhabens soll auf Basis gedruckter optischer Leiterplatten, die Kopplungsstelle, als auch der MID selbst adaptiert und untersucht werden, sodass anschließend ein passiver Bestückungsprozess genutzt werden kann, um eine elektrooptische Kopplung umzusetzen. Hierfür werden zu Beginn verschiedene Kontaktierungs- und Bestückungskonzepte innerhalb einer Toleranzkettenanalyse entwickelt und anhand von optischen Kopplungssimulationen bewertet. Aufbauend darauf kann ein Layout für die Leiterplatte und den MID inkl. Leiterbahnen konzipiert werden, welches prototypisch umgesetzt wird. Hierbei wird der MID mithilfe von Prototyping- und/oder Nachbearbeitungsprozessen so adaptiert, dass er dem geplanten Konzept entspricht. Anschließend wird die Bestückung der optischen Komponenten auf dem MID als auch des Submounts auf der Leiterplatte vorgenommen und die Kopplungsqualität anhand aktiver Alignment-Untersuchungen charakterisiert. Die Submountentwicklung wird iterativ fortgesetzt, bis eine hinreichende optische Kopplung in einen integrierten Lichtwellenleiter erreicht wird. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird basierend auf dem Laser Direkt Strukturierungs (LDS) Verfahren ein standardisierter MID Submount aufgebaut und die optische Kopplungseffizienz validiert.
Forschungsziel
Forschungsziel dieses Vorhabens ist die Umsetzung einer passiv bestückbaren optischen Schnittstelle zur Datenkommunikation in Leiterplatten. Die wesentliche Neuerung hierbei ist die Applikation und Funktionalisierung eines MID an die neuartigen Anforderungen des optischen Kopplungsszenarios unter der Nutzung von oberflächenaktiven Dioden (Sender/Empfänger). Das Forschungsvorhaben vereint die elektrische Ausgestaltung der Leiterbahnen auf dem Submounts für Gigabit/s Übertragungsraten, die fest zu Justagestrukturen referenzierte Bestückung von Dioden auf dem MID Submount und die präzise Bestückung des MID Submounts an den Stirnflächen gedruckter Lichtwellenleiter. Hierbei sollen Positionstoleranzen kleiner 20 μm erreicht und darüber hinaus auch die Kopplung an Single Mode Wellenleitern experimentell überprüft werden. Die optischen Koppler MID Submounts sollen optischer Datenübertragungsraten von bis zu 2 Gbit/s bei Kopplungsverlusten unter 3 dB erreichen und adaptiv einsetzbar werden. Die angestrebte Standardisierung für eine Massenfertigung von LDS MID ermöglicht verschiedene Kopplungsszenarien.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
Die industriellen Anwendungspotentiale liegen im Bereich der Kurzstreckenkommunikationssysteme sowie der galvanischen Trennung in EMV-sensiblen Bereichen. Dahingehend können neue Massenmärkte im optronischen Sektor und der Datenkommunikation erschlossen werden, die auf integrierte optische Datenübertragung setzen. Die industriellen Umsetzungsmöglichkeiten nach Projektende liegen in der Implementierung einer neuartigen Prozesskette bei der KMUs innerhalb der Wertschöpfungskette verschiedene Teilprozesse (Design, Spritzguss, Lasersinterung, Metallisierung, Optopackaging, Bestückung, …) abbilden können. Eine standardisierte Kopplungssystematik bietet durch die Alleinstellung auf dem Markt einen erheblichen Wettbewerbsvorteil.
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. Siehe Kontaktdaten
Leibniz Universität Hannover
Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA)
Projekt-begleitende Unternehmen
Die Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. sucht weiterhin nach projekt-begleitenden Unternehmen. Bei Interesse, melden Sie sich gerne bei der Geschäftsstelle. Siehe Kontaktdaten
