Koppelkonzept planarer Wellenleiter für optische Bussysteme Lukas Lorenz Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (TU Dresden) Erlangen 21.09.2016
Agenda 1. Einleitung 2. Koppelkonzept 3. Simulation der Koppelstelle 4. Experimentelle Koppelergebnisse 5. Zusammenfassung & Ausblick 2
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Multimode-Wellenleiter für Kurzstreckenverbindungen Koppelkonzepte Bus-Systeme Stirnflächenkopplung [1] Y-Splitter [3] Steckverbinder Wellenleiter Substrat Out-of-the-plane Kopplung [2] Spiegelvariation [4] Steckkarten Wellenleiter Substrat Wellenleiter Backplane 45 Spiegel Unterbrechung der Wellenleiter notwendig Alignment in 3 Achsen Sehr hoher Aufwand in Design und Fertigung Keine variablen Koppelraten (1) R. Krähenbühl, et. al., High-Precision, Self-Aligned, Optical Fiber Connectivity Solution for Single-Mode Waveguides Embedded in Optical PCBs," Journal of Lightwave Technology Vol. 33, 2015 (2) N. Hendrickx, et. al., "Tolerance Analysis for Multilayer Optical," Journal of Lightwave Technology Vol. 25, 2007 (3) X. Dou, et. al. Photolithography-free polymer optical waveguide arrays for optical backplane bus, Optics Express Vol. 19(15), 2011 (4) G. Jiang, et. al., Polymer waveguide with tunable optofluidic couplers for card-to-backplane optical interconnects, Proc. SPIE 8991 Optical Interconnects, 2014 3
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Zielstellung E/O Konverter (verdeckt) Sensorschaltkreis Sensornetzwerk Bus-Wellenleiter eingebettet in CFK Modul Wellenleiter Koppelstelle Verbindungsherstellung ohne Wellenleiterunterbrechung Verbindung mehrerer E/O Baugruppen mit einem Bus- Wellenleiter Einstellbare Koppelraten Asymmetrische Kopplung abhängig von der Koppelrichtung (Modul Bus oder Bus Modul) 4
Agenda 1. Einleitung 2. Koppelkonzept 3. Simulation der Koppelstelle 4. Experimentelle Koppelergebnisse 5. Zusammenfassung & Ausblick 5
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Kern-Kern-Kopplung Kopplung ohne Wellenleiterunterbrechung Kopplung über Seitenflächen der Kerne Einstellbare Koppelraten Veränderung der Koppellänge Realisierung optischer Bussysteme opt. Signal verbleibt im Bus-Wellenleiter Asymmetrische Koppelraten Biegung des Modul-Wellenleiters 6
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Realisierung eines Kern-Kern-Kopplers Modul λ 1 ; P 1 Flexsubstrat Definierte Kraft λ 1 ; P 3 Mantel Modul-Wellenleiter Kern mit Lichtführung λ 2 ; P 5 P 1 ; P 2 > P 3 ; P 4 ; P 5 ; P 6 λ 2 ; P 2 Bus-Wellenleiter Entfernter Mantel λ 2 ; P 6 Starrsubstrat λ 1 ; P 4 Bus-System Koppelstelle (Kontakt der Kerne) Kopplung zwischen flexiblem und starrem Wellenleiter Zur Gewährleistung beliebiger Koppelstellen: Folie mit angepasstem Brechungsindex als oberes Cladding bei Bedarf Folie entfernen 7
Agenda 1. Einleitung 2. Koppelkonzept 3. Simulation der Koppelstelle 4. Experimentelle Koppelergebnisse 5. Zusammenfassung & Ausblick 8
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Modell und Eingangsparameter Simulationsmodell Modul Wellenleiter r Bus Wellenleiter Ausbreitungsrichtung r Mantelmodenabstreifer Eingangsparameter 50µm Multimodewellenleiter NA = 0,25 Wellenlänge: λ = 850nm Gaußquelle Ø 10µm; NA = 0,1 9
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Koppelgrade bei unterschiedlicher Koppelrichtung P C P C Radiusabhängigkeit nur bei Kopplung von Flex nach Starr Asymmetrisches Kopplerdesign möglich 10
Agenda 1. Einleitung 2. Koppelkonzept 3. Simulation der Koppelstelle 4. Experimentelle Koppelergebnisse 5. Zusammenfassung & Ausblick 11
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Versuchsaufbau 12
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Versuchsaufbau / Eingangsbedingungen Ausgangsbedingungen Messaufbau Wellenleiter Wellenlänge 850nm Referenzleistung 250µW Launchfiber 10µm NA=0,1 Detectorfiber 200µm NA=0,39 Herstellungsverfahren Fotolithografisch LWL Breite x Höhe (beide) 50x50 µm Kopplung ohne Indexmatching Einkoppelfasern Visionsystem flexibler Wellenleiter Gewicht zum einstellen der Koppelkraft Visionsystem Auskoppelfasern Starrer LWL Radiusschablone 13
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Koppelergebnisse opt. Leistungen an den einzelnen Ein- und Ausgängen bei r = 1,5mm und F = 20N Referenzmessung ohne Kopplung 250µW 250µW 66µW 182µW a = -0,61dB/cm a = -0,14dB/cm Flex (Modul) Starr (Bus) Referenz: P_b = P_ref = 66µW P_x / P_ref Koppelgrad 250µW 26µW 0,39 0,77 Messung Koppelgrade Starr (Bus) Flex (Modul) Referenz: P_d = 182µW 20µW 4µW 0,30 deutlich asymmetrische Kopplung 0,02 0,03 250µW 127µW 0,70 14
Agenda 1. Einleitung 2. Koppelkonzept 3. Simulation der Koppelstelle 4. Experimentelle Koppelergebnisse 5. Zusammenfassung & Ausblick 15
Einleitung Koppelkonzept Simulation Messergebnisse Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick Neuer Ansatz für bidirektionale optische Bus-Kopplung für Kurzstreckenverbindungen ermöglicht Verbindung mehrerer E/O Module mit einem einzelnen Wellenleiter kein Auftrennen der Wellenleiter notwendig einstellbare Koppelraten über verschiedene Kräfte asymmetrische Koppelraten, abhängig von der Koppelrichtung Simulation des Koppelelements Abhängigkeit der Koppelrate von Koppelrichtung, Biegeradius und Überlappungslänge Experimentelle Untersuchung der Kopplung Abhängigkeit der Koppelrate von Koppelrichtung Weiterführende Experimente Einfluss des Biegeradius und der Überlappungslänge Einfluss unterschiedlicher Wellenleiterquerschnitte Untersuchung nachrichtentechnischer Aspekte Herstellung einer Verbindung zwischen Koppelfläche und Druck 16
Vielen Dank! Kontakt: Dipl.-Ing. Lukas Lorenz Technische Universität Dresden Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik Helmholtzstr. 10 01069 Dresden lukas.lorenz@tu-dresden.de +49-351-463 43767 +49-351-463 37035 www.avt.et.tu-dresden.de www.optaver.de 17