logo

U bent hier

Waarschuwingsbericht

Opgelet! Dit event heeft al plaatsgehad.

Interfacing micro-components for optical interconnections from the FTTH-level to the PCB-level

woensdag, 21 mei, 2008 - 16:00
Campus: Brussels Humanities, Sciences & Engineering campus
D
0.02
Jürgen Van Erps
doctoraatsverdediging

Sinds de uitvinding van de laser hebben optische verbindingen de traditionele elektrische verbindingen steeds meer verdrongen voor informatie‐overdracht met grote bandbreedte. Nieuwe componenten en technologieën hebben ervoor gezorgd dat fotonen steeds dieper konden doordringen in de hiërarchie van de verbindingen voor datatransport. Vandaag gaat die evolutie onverminderd voort en zo komt de optische vezel steeds dichter bij de consument: het aantal Fiber‐To‐The‐Home (FTTH) aansluitingen is wereldwijd aan een geweldige opmars bezig. De voornaamste doelstelling van dit werk bestond in het ontwikkelen van micro‐optische componenten die een naadloze integratie van de optische interconnectietechnologiëen op verschillende niveaus mogelijk maken.

Voor de aanmaak van dit soort micro‐opto‐mechanische componenten hebben we een technologie voor snelle prototypering, Deep Proton Writing, aangewend. Deep Proton Writing maakt gebruik van een bundel protonen, versneld met behulp van een cyclotron, om de fysische en chemische eigenschappen van een plastic materiaal (typisch polymethyl methacrylaat) lokaal te wijzigen door bestraling. In een volgende stap kan een selectief chemisch proces toegepast worden op het bestraalde plaatje, teneinde de bestraalde zones weg te etsen of te laten zwellen tot micro‐lenzen. Het eindresultaat zijn dan structuren met wanden van optische kwaliteit (d.w.z. met een zeer lage oppervlakteruwheid) en micro‐lenzen met een hemisferisch oppervlak.

Om de penetratie van FTTH te vergemakkelijken is er nood aan nieuwe, goedkope vezelconnectoren met lage verliezen die de installatie van de optische vezels vergemakkelijkt. We ontwikkelden een 2D monomode vezelconnector, die compatibel is met standaard connectorbehuizingen en een 2D matrix van conische micro‐gaten bevat die de vezelinbrenging sterk vergemakkelijken. Een tweede monomode vezelconnector die we ontwikkelden heeft als doel om twee naast elkaar gepositioneerde vezels met elkaar te verbinden door het lichtpad over 180° te draaien. In een eerste configuratie werd een micro‐prisma gebruikt om het licht tweemaal over 90° af te buigen door reflectie op de zijwanden en in een tweede configuratie gebruikten we een optische vezel die een lus vormt om het licht af te buigen.

Een groot probleem met standaard telecom optische vezels is dat ze onderhevig zijn aan hoge verliezen als ze te sterk worden gebogen. Om dit op te lossen ontwikkelden we een speciale, micro‐gestructureerde vezel die extreem lage buigingsverliezen combineert met een hoge koppelingsefficiëntie naar standaard telecom optische vezels. Voor het ontwerp combineerden we de kracht van optische tools met statistische design methodologieën teneinde de benodigde simulatietijd sterk te reduceren. Bovendien laat deze aanpak ons ook toe om een Monte‐Carlo analyse naar de fabricagetolerantie van het resulterende vezelontwerp uit te voeren. Een reductie in buigingsverlies van meerdere grootte‐ordes in vergelijking met standaard optische vezel werd aangetoond in simulaties en experimenteel bevestigd: er kon geen buigingsverlies worden opgemeten voor afnemende buigingsstralen tot 2mm.

In een tweede deel spitsten we onze aandacht toe op korte‐afstands optische verbindingen op het niveau van gedrukte schakelingen (Printed Circuit Board, PCB). In de huidige elektronische systemen neemt door de toenemende prestaties van CMOS‐gebaseerde micro‐processoren de hoeveelheid informatie die tussen componenten uitgewisseld wordt, alsmaar toe, wat in de nabije toekomst voor een interconnectie flessenhals zal zorgen. Hoewel het onzeker is wanneer de limieten van de bestaande koper‐gebaseerde verbindingen bereikt zullen worden, lijkt het heel waarschijnlijk dat er andere oplossingen nodig zijn. Een vaak genoemde kandidaat‐oplossing is het introduceren van parallelle optische interconnecties. Hoewel er in de loop van de voorbije jaren een groot aantal optische interconnectietechnologieën op PCB‐niveau werd voorgesteld, vormen deze momenteel nog geen kosteneffectieve oplossing, voornamelijk door een gebrek aan maturiteit. Een kritisch en relatief onopgelost probleem bestaat in het efficiënt koppelen van licht in of uit PCB‐geïntegreerde optische golfgeleiders. Wij introduceerden discrete koppelstructuren als alternatief voor golfgeleider‐geïntegreerde 45°micro‐spiegels. Deze kunnen makkelijk geïnserteerd worden in micro‐caviteiten in de PCB‐geïntegreerde golfgeleiders. Het grote voordeel van deze discrete koppelstructuren is dat dit concept kan uitgebreid worden door cylindrische micro‐lenzen te integreren in de koppelstructuur en door gebruik te maken van een gekromde micro‐spiegel, die naast reflectie ook collimatie van de lichtbundel bewerkstelligt. Bovendien hebben we de eerste prototypes voor van discrete koppelstructuren voor meerlaagse optische golfgeleiders op PCBs aangemaakt. Deze componenten maken het mogelijk om licht van de ene golfgeleiderlaag naar de andere te koppelen.

Omdat de Deep Proton Writing technologie die we hebben aangewend voor de aanmaak van de prototype micro‐componenten niet geschikt is voor massaproductie hebben we in een derde deel onderzocht of de aangemaakte prototypes compatibel zijn met replicatietechnologieën. Vergelijking van de replicas met de prototype componenten toonde aan dat er geen significante daling is in optische perfomantie en dit effent het pad voor massareplicatie tegen lage kost van de prototype micro‐optische componenten, in een brede waaier van high‐tech plastics.

We zijn ervan overtuigd dat de resultaten die in dit werk bekomen werden zullen bijdragen tot een verdere penetratie van optische verbindingen in de interconnectiehiërarchie en dat we binnen afzienbare tijd de eerste praktische toepassingen zullen zien verschijnen.