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1 Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt Wissenschaftliche Berichte FZKA 6344 Aufbau von optischelektrischen Funktionsmodulen mit Hilfe des LIGAVerfahrens f r die optische bertragungstechnik P. Ziegler, J. Wengelink, J. Mohr Institut f r Mikrostrukturtechnik von der Fakult t f r Maschinenbau der Universit t Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe 1999

2 Aufbau von optischelektrischen Funktionsmodulen mit Hilfe des LIGAVerfahrens f r die optische bertragungstechnik Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften an der Fakult t f r Maschinenbau der Universit t Karlsruhe (TH) vorgelegte Dissertation von Dipl.Phys. Patrick Ziegler aus R lzheim Tag der m ndlichen Pr fung: 7. Juni 1999 Hauptreferent: Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. V. Saile Prof. Dr. rer. nat. K.H. Brenner

3 Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mikrotechnisches Fertigungskonzept auf der Basis des LIGAVerfahrens f r die Herstellung von hybrid integrierten mikrooptischen Modulen erarbeitet. F r Monomodeanwendungen ist eine Justagetoleranz von 1 m notwendig, welche bisher durch eine aufwendige aktive Justage der mikrooptischen Komponenten sichergestellt wird. Indem die aktiven und passiven optischen Komponenten passiv positioniert werden, wird die Montage vereinfacht, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden. Die Tauglichkeit des passiven Montagekonzeptes mittels hochpr ziser LIGAStrukturen wurde innerhalb der Arbeit durch die Realisierung und Charakterisierung eines HeterodynEmpf ngers (optischer berlagerungsempf nger) nachgewiesen. Die passive Justage der aktiven und passiven mikrooptischen Komponenten geschieht durch direktlithograsch hergestellte Resiststrukturen aus PMMA auf einem Keramiksubstrat. Die mechanische Fixierung erfolgt mit UVh rtendem Kleber und die elektrische Kontaktierung der aktiven Komponenten mit Leitkleber, welcher bei etwa 70 C ausgeh rtet wird. Die verwendeten kundenspezischen Photodioden, Prismen und Kugellinsen sind alle kommerziell erh ltlich. Der Nachweis der Pr zision der passiven Montage erfolgte ber den Aufbau und den Nachweis der optischen Qualit t des optischen berlagerungsempf ngers. Die exemplarische Vermessung der berlagerung im Bereich der Photodioden zeigt einen lateralen Strahlversatz von 5:1 m. Eine laterale Dejustage der beiden Einkoppelfasern f r das Empfangs und Lokaloszillatorsignal von 1 m relativ zueinander verursacht theoretisch einen lateralen Strahlversatz von 6:4 m an den Stellen der Photodioden. Da der gemessene Strahlversatz innerhalb dieses Toleranzbereiches liegt, demonstriert diese Messung, da die f r Monomodeanwendungen geforderte Justagegenauigkeit durch direktlithograsch hergestellte LIGA Strukturen sichergestellt wird. Der HeterodynEmpf nger wurde hinsichtlich seiner elektrischen und optischen Eigenschaften charakterisiert. Der auf eine SMDAuswerteschaltung hybrid integrierte HeterodynEmpf nger erlaubt die Detektion von Zwischenfrequenzen bis 2:8 GHz. Ein koh renter Empfang ist in dem Wellenl ngenbereich von 1532 nm bis 1566 nm m glich. Weiterhin wurde die Justagegenauigkeit der passiven Justage mit Justierhilfen, welche mit dem LIGAVerfahren hergestellt werden, mittels einer einfachen FaserFaserKopplung charakterisiert. Die sich aus dem berlappintegral ergebende Genauigkeit betrug 1:2 m. Da dieser Wert auch die vom Faserhersteller spezizierte Kernexzentrizit t von 1 m der verwendeten Glasfasern ber cksichtigt, zeigt diese Messung, da eine passive Justage mit einer Pr zision im SubMikrometerbereich m glich ist.

4 Assembly of optoelectronic modules with the help of the LIGA technology for optical communication applications Abstract In this work amanufacturing concept on the basis of the LIGAtechnology for the productionofhybrid integrated microoptical modules was developed. For monomode applications an alignment accuracy of 1 m is necessary, which is guaranteed so far by a complex active alignment procedure of the microoptical components. With the new concept the active and passive optical components are aligned passively, which simplies the assembling, whereby the manufacturing costs will be reduced. The advantage of the passive assembly by means of highly precise LIGA structures was proven within this work by the realization and characterization of a heterodyne receiver (coherent receiver). The passive alignment of the active and passive microoptical components is done by means of resist structures of PMMA, which are manufactured on a ceramic substrate by xray lithography. The mechanical xing takes place with UVcurable adhesive and the electrical contacting of the active components with conductive epoxy resin, which is hardened at 70 C. The used customized photodiodes, prisms and ball lenses are all commercially available. The proof of the precision of the passive assembly took place by means of the realization and the proof of the optical quality of an optical heterodyne receiver. The measurement of the beam overlay within the position of the photodiodes shows a lateral misalignment of5:1 m.a lateral misalignment of the signal bers for the received and local oscillator signal of 1 m relative toeach other would theoretically cause a lateral beam misalignment of 6:4 m at the position of a photodiode. Since the measured beam misalignment is within this range, this measurement demonstrates that the alignment accuracy required for monomode applications is guaranteed by the LIGA structures made by xray lithography. The heterodyne receiver was characterized regarding to his electrical and optical characteristics. The heterodyne receiver is hybrid integrated into a SMD evaluation electronic and allows the detection of intermediate frequencies up to 2.8 GHz. A coherent detection is possible in the wavelength range of 1532 nm to 1566 nm. Furthermore the alignment accuracy with alignment structures made with the LIGA technique, was characterized by means of a simple berbercoupling experiment. The alignment accuracy resulting from the overlap integral amounted to 1:2 m. This value considers also the core eccentricity specied by theber manufacturer of the monomode bers which isinthe range of 1 m.thus this measurement shows, that a passive adjustment with submicrometer precision is guaranteed.

5 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1 Grundlagen optischer Komponenten Eigenschaften von Monomodefasern Abbildung eines Gau schen Strahls Physikalische Grundlagen von Photodioden Physikalische Grundlagen von Halbleiterlaserdioden Grundlagen und Design f r einen HeterodynEmpf nger Prinzip Rauscharten Gegentaktdetektor PolarisationsDiversit tsanordnung Stand der Technik Design f r einen hybrid integrierten PolarisationsDiversit tsempf nger Design der Photodioden Design der Strahlteiler Strahlverlauf und berlagerung Einu von Fertigungstoleranzen Integration optoelektronischer Komponenten LIGAVerfahren Herstellung einer mikrooptischen LIGABank Ma verfolgung mit dem COSMOS2D Pr fsystem Aufbau und Verbindungstechnik I

6 3.5 Justagetoleranzen bei der passiven Justage mit LIGAHalteelementen Integration von Laserdioden Optische und elektrische Charakterisierungen DFBLaserdioden pinphotodioden Strahlteilereigenschaften R ckreexe innerhalb des Empf ngermoduls Gegentaktanordnung Zusammenfassung und Diskussion 83 Literaturverzeichnis 87 Anhang 93 A Spezikationen der Photodioden 93 Danksagung 95 II

7 Symbolverzeichnis Variablen a a PD C d e E(x y z) E lo E s f f I I I d I(r z) I 0 I PD i gesamt i RIN i s i th k m n n Kern n Mantel n P P P lo P s R(z) R R R R L s s 0 S t T T U R V Kernradius einer Monomodefaser Radius der lichtempndlichen Photodioden che Kapazit t eines Kondensators Dicke Kernexzentrizit t einer Monomodefaser Elektrisches Feld an der Position (x,y,z) Elektrisches Feld des lokalen Oszillators Elektrisches Feld des Sendesignals Brennweite Bandbreite des Photodiodenrauschens Dierenzstrom Photodiodenstrom Dunkelstrom der Photodiode Intensit t maximale Intensit t eines Gau strahls Photodiodenstrom Gesamtrauschsignal der Photodiode Rauschsignal durch Intensit tsrauschen Rauschsignal durch Schrotrauschen Rauschsignal durch thermisches Rauschen Betrag des Wellenvektors Modennummer Brechungsindex Brechungsindex des Faserkerns Brechungsindex des Fasermantels eektiver Modenindex Optische Leistung Schwankung der abgestrahlten optischen Leistung optische Leistung des lokalen Oszillators optische Leistung des Senders Kr mmungsradius der Phasenfront eines Gau strahls Radius einer Kugellinse Reektivit t Empndlichkeit der Photodiode Eingangswiderstand am Verst rker Gegenstandsweite Bildweite Transfermatrix Verschiebung der Position der Strahltaille Temperatur Transmissionskoezient In Sperrichtung an eine Photodiode angelegte Spannung Normierte Frequenz III

8 x z r Kantenunsch rfe der LIGAStrukturen Rayleighl nge Griechische Buchstaben D mpfung B Winkel zwischen der Strukturseitenwand und der Substratnormalen Koppelezienz Divergenz eines Gau strahls I Zwischenfrequenz nderung bei einer Injektionsstrom nderung T Zwischenfrequenz nderung bei einer Temperatur nderung Wellenl nge Spektrale Linienbreite im Wellenl ngenbereich Gitterperiode eines BraggGitters Abgestrahlte Frequenz der Laserdiode Spektrale Linienbreite im Frequenzbereich tr Transportzeit Laufzeitunterschied ' r Phase des reektierten Lichts ' t Phase des transmittierten Lichts Phase lo Phase des lokalen Oszillators s Phase des Sendelasers (z) Phase eines Gau strahls! 0 1 e Weite des Feldes eines Gau strahls am Ort der Strahltaille! 0 1 e Weite des Feldes eines Gau strahls am Ort der Strahltaille in der Bildebene!(z) 1 e Weite des Feldes eines Gau strahls! IF Zwischenfrequenz! lo Frequenz der Laserdiode des lokalen Oszillators! s Frequenz der Laserdiode des Senders Abk rzungen AR ASK BER BPF BS CAD CMRR COSMOS2D DFB EDFA FM FP FSK HF Antireektive Beschichtung Amplitude Shift Keying, Amplitudenumtastung Bit Error Rate, Bitfehlerwahrscheinlichkeit Bandpa lter Beam Splitter, Strahlteiler Computer Aided Design Common Mode Rejection Ratio, Gleichtaktunterdr ckung Computer System for Measurement of Optically Acquired Structure Surfaces in 2 Dimensions, Pr fsystem Distributed Feedback, Laserdiodentyp Erbium Doped Fiber Amplier, Faserverst rker mit Erdotierter Faser Frequenz Modulation Fabry Perot, Laserdiodentyp Frequency Shift Keying, Frequenzumtastung Hochfrequenz IV

9 IM LIGA LO MCAD MMIC MOVPE NA PBS PD PMMA PSK RIN RL SMD TPF WDM ZF Intensit tsmodulation R ntgentiefenlithograe mit Synchrotronstrahlung, Galvanoformung von Metallen und Abformung von Kunststoen Lokaler Oszillator Mechanical CAD, CADSystem speziell f r 2DKonstruktionen Monolithic Microwave Integrated Circuit, integrierter Mikrowellenschaltkreis Metalorganic Vapor Phase Epitaxy, Metallorganischer Gasphasen EpitaxieProze Numerische Apertur Polarisation Beam Splitter, Polarisationsstrahlteiler Photodiode Polymethylmethacrylat Phase Shift Keying, Phasenumtastung Relative Intensity Noise, relatives Intensit tsrauschen Return Loss, R cku d mpfung Surface Mounted Device, ober chenmontierbare Bauteile Tiefpa lter Wavelength Division Multiplexing, Wellenl ngenmultiplex Zwischenfrequenz V

10 Einleitung Auf dem Weg in die Informationsgesellschaft wird der Bedarf an Modulen f r die bertragung und Verarbeitung von immer gr er werdenden Datenstr men st ndig zunehmen. Die bertragung der Information mittels Glasfasern bietet hierbei nahezu unbegrenzte M glichkeiten, den derzeit und in Zukunft anfallenden Anforderungen hinsichtlich der bertragungskapazit t gerecht zu werden. So bietet eine einzige Glasfaser bereits eine Bandbreite von 50 THz, wobei die zwei Wellenl ngenfenster bei 1300 nm und 1550 nm verwendet werden [1]. Im Vergleich dazu ist mit einem Koaxialkabel eine elektrische Bandbreite von bis zu 1 GHz realisierbar [2]. Die bertragung der Daten geschieht im allgemeinen durch direkte Intensit tsmodulation einer Laserdiode, wobei das Signal mit einer Photodiode detektiert wird. Bei der f r Vielkanalsysteme eingesetzten WDM (wavelength division multiplexing)technik entspricht jeder optische bertragungskanal einer ganz bestimmten optischen Wellenl nge. F r den Empfang eines bestimmten bertragungskanals bedarf es eines optischen Filters, wobei die Anzahl der notwendigen optischen Filter mit der Anzahl der bertragungskan le zunimmt. Die optische Bandbreite der Filter bestimmt den minimalen Wellenl ngenabstand und damit die maximale Anzahl von m glichen bertragungskan len. In der Rundfunktechnik werden zum selektiven Empfang sehr vieler Kan le berlagerungsempf nger eingesetzt. Das empfangene Hochfrequenzsignal wird bei diesen Empf ngern in ein Zwischenfrequenzsignal umgesetzt. Durch einen in der Frequenz abstimmbaren Lokaloszillator ist ein selektiver Empfang einzelner Nachrichtenkan le m glich. Die eigentliche Kanaltrennung geschieht im Zwischenfrequenzbereich unter Verwendung eines Zwischenfrequenzlters. Die Vorteile eines berlagerungsempf ngers sind seine hohe Empndlichkeit und gute Kanaltrennsch rfe [3]. Beim optischen berlagerungsempfang werden die empfangenen Nachrichtenkan le mit Hilfe eines lokalen Lasers (Lokaloszillator) aus dem optischen Frequenzbereich in einen elektrischen Zwischenfrequenzbereich (Heterodyn 1 Empfang) oder direkt in das Basisband (Homodyn 2 Empfang) umgesetzt. Der selektive Empfang eines Kanals geschieht hierbei durch das Zusammenspiel eines in der Frequenz abstimmbaren Lokallasers und eines Zwischenfrequenz oder Basisbandlters konstanter Mittenfrequenz. Die Vorteile des optischen berlagerungsempfangs 3 sind die gleichen wie in der Rundfunktechnik. Die hohe Empndlichkeit und die gute Kanaltrennung sind hierbei auf eine gro e lokale Laserlichtleistung und auf die gr ere 1 (gr.) hetero: ungleich, (gr.) dyn: Kraft. 2 (gr.) homo: gleich 3 Da f r den optischen berlagerungsempfang koh rente Lichtquellen notwendig sind, spricht man auch von koh renten Empf ngern bzw. koh renten bertragungssystemen. 1

11 2 Einleitung Trennsch rfe elektrischer Filter im Vergleich zu optischen Filtern zur ckzuf hren. Ein weiterer Vorteil ist, da elektrische Filter kosteng nstiger in ein System integrierbar sind als optische Filter [3]. Mit einem optischen berlagerungsempf nger ist die Realisierung eines optischen Frequenzmultiplexsystems m glich, bei dem die einzelnen Nachrichtenkan le nahezu l ckenlos im optischen Frequenzbereich nebeneinanderliegen. Die bertragungskapazit t der Glasfaser kann dadurch voll ausgesch pft werden. Es wird erwartet, da sich durch den Einsatz von optischen berlagerungsempf ngern die Kapazit t eines normalen WDMSystems um den Faktor acht erh ht [4]. F r die Zukunft werden hybride L sungen f r optische Netzwerke erwartet. Der Empfang von Video/TVKan len soll mit einem optischen berlagerungsempf nger erfolgen. Der bidirektionale Datenaustausch (BildTelefon, Telelearning) zwischen zwei PC's soll im allgemeinen ber Kan le geschehen, bei denen die Information durch direkte Intensit tsmodulation bertragen wird. Bei koh renten bertragungssystemen wird im allgemeinen die Tr gerfrequenz moduliert [4]. Die Glasfaser wird im gro en Stil bis zu jedem einzelnen Teilnehmer nur dann verlegt werden, wenn der optische Anschlu preiswert m glich ist. F r die Anbindung von Teilnehmern an ein optisches Netzwerk werden mikrooptische und monolithisch integrierte optische Schalter, optische Verst rker, Laserquellen, Empf nger, optische Isolatoren, Koppler und Wellenl ngenlter ben tigt. F r die bertragung und Detektion von gro en Datenmengen m ssen diese mikrooptischen Aufbauten mit Hochfrequenz (HF)Modulen (MMICVerst rker, Multiplexer, Filter, Multiplizierer) kombiniert werden, welche die Modulation von Lichtsignalen und die Detektion von Photostr men mit Frequenzen im GHzBereich erlauben [5]. Der Einsatz und die Verbreitung dieser Technologien wird dadurch bestimmt werden, da Herstellungsverfahren gefunden werden, die eine kosteng nstige Fertigung dieser Module erm glichen [6]. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Entwicklung von kosteng nstigen Fertigungsmethoden f r die Herstellung von hybriden Komponenten voranzutreiben. Der Schl ssel f r die kosteng nstige Fertigung ist die passive Justierung der optischen Komponenten, d. h. diese werden mit Hilfe mechanischer und optischer Justierhilfen zueinander ausgerichtet. Bei der aktiven Justage wird der optische Aufbau bei eingeschalteter Lichtquelle justiert und die optimale Position der Komponenten anschlie end xiert. Derzeit gibt es zwei Konzepte f r die Herstellung von mikrooptischen Modulen. Zum einen die monolithische Integration, bei der auf der Basis eines bestimmten Halbleitermaterialsystems (etwa Galliumarsenid oder Indiumphosphid) ein komplettes Modul auf einem Substrat hergestellt wird und zum anderen die hybride 4 Integration, bei der Komponenten aus verschiedenen Materialsystemen zu einem Modul kombiniert werden. Der wesentliche Vorteil einer monolithischen Integration besteht darin, da bis auf die Ankopplung der Glasfasern keine Justage einzelner optischer Komponenten notwendig ist. Ein gro er Nachteil hingegen ist, da eine Design nderung innerhalb des Moduls unter Umst nden zu weitreichenden Proze nderungen f hren kann und der Herstellungsproze damit relativ unexibel ist. 4 (lat.) hybrida: Mischling, von unterschiedlicher Herkunft.

12 Einleitung 3 Die hybride Integration von mikrooptischen Aufbauten und von in SMDTechnik aufgebauten elektronischen Schaltungen erm glicht die exible Realisierung von hybriden optoelektronischen Modulen. Damit bietet dieses Konzept L sungsm glichkeiten f r viele Anwendungsfelder, nicht nur f r Anwendungen der optischen Nachrichtentechnik. Bei der hybriden Integration hat eine Design nderung meist nur eine nderung in der Anordnung der jeweiligen Komponenten zur Folge. Ein weiterer Vorteil dieses Montagekonzepts liegt darin, da der Designer auf eine gr ere Vielfalt an optischen Komponenten zur ckgreifen kann, da er optische Komponenten beliebiger Materialsysteme miteinander kombinieren kann. Die Schwierigkeit bei diesem Aufbaukonzept liegt in einer kosteng nstigen Montage. Bei MonomodeAnwendungen f r die optische Nachrichtentechnik werden etwa Justagegenauigkeiten im Bereichvon 1 m und weniger ben tigt. Bisher wird dies durch eine aufwendige aktive Justage der einzelnen optischen Komponenten zueinander erreicht. F r eine kosteng nstige Fertigung ist es jedoch von Vorteil, wenn die aktive Justage durch eine kosteng nstigere passive Justage ersetzt werden kann. Hierzu ist es notwendig, die optischen Komponenten mit mechanischen Justierhilfen (Anschlagskanten) zu versehen und eine Aufnahmeplatte (mikrooptische Bank) herzustellen, welche ebenfalls mechanische Justierhilfen besitzt. Ferner sind Halteelemente notwendig, welche die unterschiedlichen aktiven und passiven mikrooptischen Komponenten entlang der optischen Achse zueinander justieren. Das Konzept der hybriden Integration wird in den Arbeiten von British Telecom [7], Alcatel [8] und Siemens [9] verfolgt. Diese besch ftigen sich mit dem Aufbau von kombinierten Sende und Empfangsmodulen (Transceivern), wobei die Photo und Laserdioden gemeinsam auf einem vorstrukturierten Siliziumsubstrat passiv justiert werden. F r die Realisierung eines Lasermoduls, wobei das von der Laserdiode emittierte Licht in eine Monomodefaser eingekoppelt wird, wird bei den Arbeiten der Firmen AT&T [10], IBM [11] und Fujitsu [12] ebenfalls ein vorstrukturiertes Siliziumsubstrat verwendet. Bei der Verwendung von strukturierten Siliziumsubstraten sind der hybriden Integration von mikrooptischen Komponenten Grenzen gesetzt. F r die Herstellung eines passiv justierten HeterodynEmpf ngers wird eine sogenannte mikrooptische Bank ben tigt, welche mechanische Justierhilfen f r die Positionierung der mikrooptischen Komponenten und Leiterbahnen f r die elektrische Anbindung der aktiven Komponenten bereitstellt. Bei einem Heterodyn Empf nger handelt es sich um ein Modul, an dem aufgrund seiner Komplexit t die Leistungsf higkeit der verwendeten Herstellungstechnologie eindrucksvoll demonstriert werden kann. So ist f r die Realisierung eines HeterodynEmpf ngers der Aufbau einer anspruchsvollen Optik und die Integration aktiver optischer Komponenten unter Ber cksichtigung der Problematik der Anbindung an eine HFAuswerteschaltung notwendig. Beim Versuch von Siemens [13] einen HeterodynEmpf nger durch hybride Integration der aktiven und passiven mikrooptischen Komponenten herzustellen, mu ten die notwendigen Prismen und die Laserdiode aktiv justiert werden, da mit einem vorstruktierten Siliziumsubstrat die f r MonomodeAnwendungen einzuhaltenden Justagetoleranzen nicht realisiert werden konnten. Die LIGATechnologie 5 bietet eine exible Basis f r die Herstellung hochpr ziser mechanischer Justierhilfen und damit die M glichkeit der kosteng nstigen passiven Montage von 5 Verfahren f r die Herstellung von sehr pr zisen Mikrostrukturen durch Kombination von R ntgentiefenlithograe mit Synchrotronstrahlung, Galvanoformung von Metallen und Abformung von Kunststoen.

13 4 Einleitung aktiven und passiven optischen Komponenten aus verschiedenen Materialsystemen auf einer mikrooptischen Bank (HybridIntegration). Die Vorteile des LIGAVerfahrens liegen in der beliebig w hlbaren lateralen Geometrie der Haltestrukturen und einer geringen Seitenwandrauhigkeit. Damit hat das LIGAVerfahren hervorragende Voraussetzungen f r die Herstellung von hybrid aufgebauten mikrooptischen Funktionsmodulen. Erste Schritte auf dem Weg zu einer hybriden Integration von aktiven und passiven mikrooptischen Komponenten auf einer mikrooptischen LIGABank wurden in den Arbeiten [1417] gemacht. Innerhalb der Arbeit von A. M ller [14] wurde ein Transceiver mit Hilfe einer mikrooptischen LIGABank realisiert. Die beiden Linsen und der Strahlteiler wurden passiv und die Laser und Photodioden aktiv positioniert. In den Arbeiten von M. Marth [17] und J. Kuiper [16] wurden die Grundlagen f r die hybride Integration von Laserdioden in eine mikrooptische Polymerbank erarbeitet. In der Arbeit von M. Foulger [18] wurde eine mikrooptische Schaltmatrix f r MultimodeAnwendungen mit Hilfe der LIGATechnik hergestellt. Die Glasfasern wurden hierbei mit speziellen Faserhalteelementen passiv positioniert. F r den Aufbau eines optischen Faserverst rkers (EDFA) wurde in der Arbeit von T.v. Freyhold [15] das Konzept der Faserpositionierung mit Faserhalteelementen auf MonomodeAnwendungen erweitert. Innerhalb dieser Arbeit soll die Integration von aktiven und passiven mikrooptischen Komponenten in eine mikrooptischen Bank demonstriert werden, wobei die Komponenten alle passiv montiert werden sollen. Die erfolgreiche Integration soll anhand eines komplexen Moduls einem HeterodynEmpf nger nachgewiesen werden. Hierbei wurde ein kompaktes optoelektronisches System aufgebaut, in dem der mikrooptische Aufbau hybrid mit einer in SMDTechnik realisierten HFAuswerteschaltung integriert wurde, wie in Abbildung 1 dargestellt ist. 1mm Abbildung 1: Hybride Integration eines passiv justierten mikrooptischen LIGAAufbaus auf einer in SMD Technik realisierten HFAuswerteschaltung f r Frequenzen bis 2:8 GHz. Die Arbeit gliedert sich in vier Kapitel. In Kapitel 1 werden die optischen Grundlagen erl utert. Die einzelnen mikrooptischen Komponenten, die zur Integration vorgesehen sind, werden vorgestellt. Die Auswahl der Komponenten richtet sich nach dem gew hlten Demonstrator,

14 Einleitung 5 d. h. dem HeterodynEmpf nger. Kapitel 2 besch ftigt sich mit dem Funktionsprinzip eines HeterodynEmpf ngers. Hierzu wird unter anderem auf die verschiedenen Rauscharten, welche innerhalb der optischen Nachrichtentechnik eine Rolle spielen und auf deren Einu auf das optische Design des HeterodynEmpf ngers eingegangen. Nachdem die Grundprinzipien des optischen berlagerungsempfangs aufgezeigt wurden, wird ein detaillierter berblick zu bisher aufgebauten HeterodynEmpf ngern gegeben. Anschlie end wird das Design f r den innerhalb dieser Arbeit realisierten HeterodynEmpf nger entwickelt. In Kapitel 3 wird auf die Herstellung der mikrooptischen LIGAB nke eingegangen. Ferner wird das Konzept der passiven Montage von mikrooptischen Komponenten mittels Halteelementen dargestellt. Dies beinhaltet die Charakterisierung von Herstellungstoleranzen der Justierhilfen. Erste Ergebnisse bez glich der Integration von Laserdioden in eine mikrooptische LIGABank werden gezeigt. In Kapitel 4 werden die experimentell ermittelten optischen und elektrischen Eigenschaften des HeterodynEmpf ngers dargestellt.

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16 Kapitel 1 Grundlagen optischer Komponenten Die Auswahl der hier vorgestellten optischen Komponenten richtet sich nach der gew hlten Anwendung einer mikrooptischen Bank in einem HeterodynEmpf nger. F r die Herstellung des hybrid auf einer mikrooptischen LIGABank integrierten HeterodynEmpf ngers (siehe Abbildung 1.1) werden zwei Monomodefasern (Signalfaser und Lokaloszillatorfaser) mit Keramiksubstrat Prisma Kugellinse Kugellinse Haltestruktur Signalfaser Lokaloszillatorfaser Faserhalteelement Photodiode Abbildung 1.1: Hybrid auf eine mikrooptische LIGABank integrierter und vollst ndig passiv justierter HeterodynEmpf nger. Hilfe jeweils eines Faserhalteelements entlang der optischen Achse positioniert. Das von den Fasern abgestrahlte Lichtsignal wird jeweils mit einer Kugellinse kollimiert und innerhalb einer Prismenanordnung berlagert. Das optische berlagerungssignal wird mit vier Photodioden detektiert. Alle Komponenten werden mittels Haltestrukturen justiert. Im Folgenden werden die Eigenschaften der verwendeten Komponenten dargestellt, wobei die Funktion des mikrooptischen Aufbaus in Kapitel 2 ausf hrlich beschrieben wird. F r die Auslegung der mikrotechnisch hergestellten Freistrahloptik bedarf es der Kenntnis des Faserabstrahlverhaltens, der Abbildungseigenschaften von Kugellinsen und des Einusses der Prismenanordnung auf den Strahlverlauf (siehe Abschnitt 1.1). F r die Detektion der Lichtsignale werden sehr lichtempndliche und schnelle Photodioden 7

17 8 1. Grundlagen optischer Komponenten eingesetzt. Die optische Empndlichkeit und elektrische Bandbreite dieser Photodioden kann durch Anlegen einer entsprechenden Vorspannung ver ndert werden. Zum Verst ndnis der relevanten Mechanismen wird die Funktionsweise von Photodioden in Abschnitt 1.3 beschrieben. Als Lichtquellen werden Halbleiterlaserdioden eingesetzt. Die Funktionsweise von Halbleiterlaserdioden wird in Abschnitt 1.4 dargestellt. 1.1 Eigenschaften von Monomodefasern D mpfungseigenschaften F r die bertragung optischer Signale ber weite Entfernungen sind Monomodefasern aus Quarzglas aufgrund der geringen D mpfung am besten geeignet. Abbildung 1.2 zeigt die Signald mpfung als Funktion der Wellenl nge. Bei der Wel- Abbildung 1.2: D mpfungsspektrum einer Monomodefaser aus synthetischem Quarzglas [19]. lenl nge 1:4 m besitzt die Signald mpfung ein Maximum. Dieser Peak wird durch Glasverunreinigungen mit Wassermolek len, d. h. OHGruppen verursacht. Die Signald mpfung wird f r Wellenl ngen unterhalb von 1:3 m durch Rayleighstreuung und f r Wellenl ngen oberhalb von 1:55 m durch Materialabsorption bestimmt. Bei der Rayleighstreuung wird das Licht an Dichteuktuationen innerhalb der Glasfaser gestreut. Ferner verursachen eine nicht perfekte KernMantelGrenz che und Abweichungen von der idealen Kerngeometrie eine zus tzliche Signald mpfung. Die geringste D mpfung wird bei der Wellenl nge 1:55 m gemessen. Der Wellenl ngenbereich um 1:55 m eignet sich daher gut f r die bertragung von Daten ber lange Distanzen. Da optische Verst rker bei 1:55 m arbeiten, wird dieser Wellenl ngenbereich immer wichtiger. Ein zweites Minimun bendet sich bei der Wellenl nge 1:3 m. Innerhalb eines optischen Netzwerks ist im allgemeinen der Wellenl ngenbereich um1:55 m f r die Daten bertragung zum Endnutzer und der Wellenl ngenbereich um1:3 m f r den Datenversand vom Endnutzer zur Vermittlungsstelle vorgesehen [2]. Stufenindexfasern Abbildung 1.3 zeigt schematisch den Aufbau einer Stufenindexfaser. Der innere Bereich des Zylinders ist der Faserkern, wobei dieser aus einem Glas mit Bre-

18 1.1 Eigenschaften von Monomodefasern 9 Manteldurchmesser Kerndurchmesser 2 a sin() =NA Abbildung 1.3: Aufbau einer Stufenindexfaser. chungsindex n Kern besteht. Der Faserkern ist mit einem Mantel umgeben, der aus einem Glas mit Brechungsindex n Mantel besteht. Innerhalb des Faserkerns und innerhalb des Fasermantels besitzen die entsprechenden Brechungsindizes einen konstanten Wert. Am bergang zwischen Faserkern und Mantel ndert sich der Brechungsindex bei einer Stufenindexfaser sprunghaft. Theorie Gau scher Strahlen Das Abstrahlverhalten von Monomodefasern und Halbleiterlaserdioden l t sich mit Hilfe von Gau schen Strahlen beschreiben. Die Ausbreitung einer elektromagnetischen Feldkomponente E innerhalb eines homogenen und isotropen Mediums mit Brechungsindex n wird durch die skalare Wellengleichung h r ~ 2 + k 2i E(x y z) =0 mit k = 2n (1.1) beschrieben, wobei k die Ausbreitungskonstante innerhalb des Mediums ist [20]. Bei Betrachtung einer rotationssymmetrischen transversalen Abh ngigkeit ist der fundamentale Gau strahl, h! 0 E(r z)=e 0!(z) e;i[kz;(z)];r2 i 1!2(z) + 2R(z) ik (1.2) eine L sung dieser Wellengleichung. Die f r den fundamentalen Gau strahl eingef hrten Gr - en sind die Strahlweite!(z), die Phase (z), der Radius der Phasenfrontkr mmung R(z) und die Rayleighl nge z r : z 2!(z) =! 0 s1+ z r R(z) =z 1+ zr z 2 z r =!2 0 n (1.3) z (z) = arctan : (1.4) z r In Abbildung 1.4 ist der Verlauf eines solchen Gau strahls dargestellt. F r die vollst ndige Beschreibung sind die Kenntnis der Strahltaillenweite! 0 an der Stelle z =0und der Wellenl nge erforderlich. Die Rayleighl nge z r gibt den Abstand vom Ursprung an, bei dem der

19 10 1. Grundlagen optischer Komponenten I I 0 e 2 r r =! 0 ;z Phasenfront z =0 +z! 0 Gaußstrahl Abbildung 1.4: Ausbreitung eines Gau strahls und Querschnitt der Intensit tsverteilung am Ort der Strahltaille. Strahlradius! den p 2fachen Wert der Strahltaillenweite! 0 annimmt. Die Rayleighl nge kennzeichnet ferner den bergang zwischen Nah und Fernfeld. Im Fernfeldbereich (z z r ) zeigt der Gau strahl eine Divergenz von! 0. Die Intensit tsverteilung ergibt sich aus dem Betragsquadrat der Feldverteilung des fundamentalen Gau strahls nach Gleichung 1.2 zu r2 I(r z)=i 0 e ;2!(z)2 : (1.5) Abstrahlverhalten von Stufenindexfasern Die von einer Stufenindexfaser gef hrte elektromagnetische Feldverteilung ergibt sich durch L sen der Maxwell Gleichungen f r die Randbedingung, n(r) = ( n Kern n Mantel f r r a f r r>a mit n Kern >n Mantel, der in Abbildung 1.3 dargestellten Stufenindexfaser. (1.6) Bei den innerhalb dieser Arbeit verwendeten Stufenindexfasern ist der Brechungsindex im Kernbereich n Kern um 0:36 % gegen ber dem Brechungsindex im Mantelbereich n Mantel erh ht [21]. In diesem sogenannten Fall einer schwachen F hrung kann die skalare Wellengleichung 1.1 f r die Beschreibung von elektromagnetischen Feldern innerhalb einer Stufenindexfaser verwendet werden. Die L sungen der Wellengleichung werden als Moden bezeichnet. Ein Ma f r die Anzahl der m glichen Moden ist die normierte Frequenz V, V = 2 a qn 2 Kern ; n2 Mantel (1.7) := 2 ana: (1.8) Die fundamentale Mode wird von Stufenindexfasern immer gef hrt. Damit diese die einzige L sung ist, m ssen die numerische Apertur 1 NA und damit der Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel so eingestellt werden, da V < 2:405 ist [22]. 1 Die numerische Apertur ist das Produkt aus dem Sinus des Aperturwinkels, d. h. des halben Winkels des Lichtkonuses, der nochindiefaser eingekoppelt werden kann, und dem Brechungsindex im Ausbreitungsraum (hier n Luft =1, siehe Abbildung 1.3).

20 1.2 Abbildung eines Gau schen Strahls 11 Das von einer Stufenindexfaser abgestrahlte Feld kann durch eine Gau verteilung angen hert werden. Liegt die normierte Frequenz im Bereich 1:2 < V < 2:4, so kann die Strahltaillenweite durch die analytische N herung! 0 a (0:65+1:619V ;1:5 +2:879V ;6 ) berechnet werden [23]. Der innerhalb dieser Arbeit benutzte MonomodeFasertyp ist in der Arbeit von T.v. Freyhold [15] charakterisiert. Die Vermessung der Intensit tsverteilung entlang der optischen Achse mit einer Kamera ergibt eine Strahltaillenweite von! 0 5:25 m bei der Wellenl nge von =1550nm. F r die weiteren Rechnungen wird daher dieser Wert f r die Strahltaillenweite des von der Monomodefaser abgestrahlten Feldes verwendet. 1.2 Abbildung eines Gau schen Strahls Die aus der geometrischen Optik bekannte Abbildungsgleichung kann in dimensionsloser Form folgenderma en geschrieben werden: 1 s=f + 1 s 0 =f =1: (1.9) Hierbei ist s die Gegenstandsweite, d. h. der Abstand zwischen dem Objekt und der Linsenhauptebene, s 0 kennzeichnet die Bildweite und f die Brennweite der Linse. F r die Abbildung eines Gau schen Strahls hat S.A. Self [24] eine analoge Gleichung abgeleitet: 1 s=f +(z r =f) 2 = (s=f ; 1) + 1 s 0 =f =1: (1.10) Die Gegenstandsweite s kennzeichnet hierbei den Abstand zwischen der abzubildenden Strahltaille und der Linsenhauptebene. Die Position der Strahltaille mit Radius! 0 in der Bildebene wird durch die Bildweite s 0 gekennzeichnet, d. h. dem bildseitigen Abstand zwischen Strahltaille und der Linsenhauptebene. In Abbildung 1.5 ist die Bildweite s 0 =f als Funktion der Gegenstandsweite s=f f r einige Werte des Parameters zr f aufgetragen. F r die optische Abbildung sind die drei Regionen I, II und III von Bedeutung. Region I kennzeichnet bei der optischen Abbildung mit einer positiven Linse den Fall eines reellen Bildes bei einer virtuellen 2 Gegenstandsweite, Region II den Fall eines reellen Bildes bei einer reellen Gegenstandsweite und Region III den Fall eines virtuellen Bildes bei einer reellen Gegenstandsweite. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Gau scher Strahlenoptik und geometrischer Optik k nnen in den folgenden Punkten zusammengefa t werden: Es gibt eine maximale und minimale Bildweite f r Gau sche Strahlen. Die maximale Bildweite wird f r einen Gau schen Strahl bei einer Gegenstandsweite von s = f + z r erreicht. Im geometrisch optischen Fall ist die Bildweite f r eine Gegenstandsweite von s = f maximal. 2 Bildebenen, die auf der Gegenstandsseite liegen, sind negativ. Es handelt sich um virtuelle Bilder.