Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mikrotechnisches Fertigungskonzept auf der Basis des LIGA-Verfahrens für die Herstellung von hybrid integrierten mikrooptischen Modulen erarbeitet. Für Monomodeanwendungen ist eine Justagetoleranz von ± 1 µm 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 hochpräziser LIGA-Strukturen wurde innerhalb der Arbeit durch die Realisierung und Charakterisierung eines Heterodyn-Empfängers (optischer Überlagerungsempfänger) nachgewiesen.
Die passive Justage der aktiven und passiven mikrooptischen Komponenten geschieht durch direktlithografisch hergestellte Resiststrukturen aus PMMA auf einem Keramiksubstrat. Die mechanische Fixierung erfolgt mit UV-härtendem Kleber und die elektrische Kontaktierung der aktiven Komponenten mit Leitkleber, welcher bei etwa 70 °C ausgehärtet wird. Die verwendeten kundenspezifischen Photodioden, Prismen und Kugellinsen sind alle kommerziell erhältlich.
Der Nachweis der Präzision der passiven Montage erfolgte über den Aufbau und den Nachweis der optischen Qualität des optischen Überlagerungsempfängers. Die exemplarische Vermessung der Überlagerung im Bereich der Photodioden zeigt einen lateralen Strahlversatz von 5.1 µm. Eine laterale Dejustage der beiden Einkoppelfasern für das Empfangs- und Lokaloszillatorsignal von ± 1 µm relativ zueinander verursacht theoretisch einen lateralen Strahlversatz von ± 6.4 µm an den Stellen der Photodioden. Da der gemessene Strahlversatz innerhalb dieses Toleranzbereiches liegt, demonstriert diese Messung, daß die für Monomodeanwendungen geforderte Justagegenauigkeit durch direktlithografisch hergestellte LIGA-Strukturen sichergestellt wird.
Der Heterodyn-Empfänger wurde hinsichtlich seiner elektrischen und optischen Eigenschaften charakterisiert. Der auf eine SMD-Auswerteschaltung hybrid integrierte Heterodyn-Empfänger erlaubt die Detektion von Zwischenfrequenzen bis 2.8 GHz. Ein kohärenter Empfang ist in dem Wellenlängenbereich von 1532 nm bis 1566 nm möglich.
Weiterhin wurde die Justagegenauigkeit der passiven Justage mit Justierhilfen, welche mit dem LIGA-Verfahren hergestellt werden, mittels einer einfachen Faser-Faser-Kopplung charakterisiert. Die sich aus dem Überlappintegral ergebende Genauigkeit betrug 1.2 µm. Da dieser Wert auch die vom Faserhersteller spezifizierte Kernexzentrizität von £ 1 µm der verwendeten Glasfasern berücksichtigt, zeigt diese Messung, daß eine passive Justage mit einer Präzision im Sub-Mikrometerbereich möglich ist.
Assembly of opto-electronic modules with the help of the LIGA technology for optical communication applications
Abstract
In this work a manufacturing concept on the basis of the LIGA-technology for the production of hybrid integrated micro-optical modules was developed. For monomode applications an alignment accuracy of ± 1 µm is necessary, which is guaranteed so far by a complex active alignment procedure of the micro-optical components. With the new concept the active and passive optical components are aligned passively, which simplifies 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 micro-optical components is done by means of resist structures of PMMA, which are manufactured on a ceramic substrate by x-ray lithography. The mechanical fixing takes place with UV-curable adhesive and the electrical contacting of the active components with conductive epoxy resin, which is hardened at 70 °C. The used customized photo-diodes, 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 of 5.1 µm. A lateral misalignment of the signal fibers for the received- and local oscillator signal of ± 1 µm relative to each other would theoretically cause a lateral beam misalignment of ± 6.4 µm 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 x-ray 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 fiber-fiber-coupling experiment. The alignment accuracy resulting from the overlap integral amounted to 1.2 µm. This value considers also the core eccentricity specified by the fiber manufacturer of the monomode fibers which is in the range of 1 µm. Thus this measurement shows, that a passive adjustment with sub-micrometer precision is guaranteed.