Novel Photostructurable Polymer for On-Board Optical Interconnects Enabled by Femtosecond Direct Laser Writing

Die integrierte Optik hat sich als vielversprechende Lösung für elektronische Verbindungen erwiesen, die eine hohe Bandbreitendichte und einen geringen Stromverbrauch ermöglicht. Seit kurzem ist es möglich photochemische und physikalische Reaktionen auf ein Mikrovolumen zu begrenzen. Dies hat der optischen Verbindungstechnik unter Verwendung von Glas oder Polymer eine zusätzliche Dimension verliehen. Dreidimensionale Wellenleiter können das optische Signal zwischen Blöcken aller Dimensionen verbinden, kombinieren oder aufteilen. Die Erhöhung des Brechungsindex ist jedoch immer noch eine Herausforderung für die Herstellung stabiler Freiform- und monomodaler Wellenleiter mit dreidimensionaler Ausdehnung, welche sich innerhalb der Platine befinden. Diese Dissertation stellt ein neues Konzept vor, um dieser Herausforderung zu begegnen, indem direktes Femtosekunden-Laserschreiben in Polymer und externe Diffusion eines gasförmigen Monomers verwendet wird. Direktes Laserschreiben mit Zwei-Photonen-Absorption wurde verwendet, um die Vernetzung entlang eines vorher definierten Pfades zur Bildung des Wellenleiterkerns zu initiieren. Es wurde ein ausreichender Brechungsindexkontrast erzeugt, um gaußförmige Strahlen mit einem Modus zu führen. Feature-Größen konnten durch Variieren der Scangeschwindigkeit und der Laserintensität linear angepasst werden. Dieses Herstellungsverfahren erfordert nur eine Schicht eines einzelnen Materials ohne Masken-, Kontakt- oder Nassbearbeitung. Durch Verwendung dieser neuartigen Methode wurden dreidimensionale optische Wellenleiter-Arrays, Fan-in/Fan-out- und Splitter-Strukturen hergestellt. Dreidimensionale freiforme Wellenleiter haben ein hohes Potential zur Verbesserung der Packungsdichte und Flexibilität optischer Verbindungen auf Platinenebene

Simulation, Herstellung und Charakterisierung von integrierten optischen Wellenlängendemultiplexern auf Polymerbasis mittels Laserdirektlithographie

In der vorliegenden Dissertationsschrift wird die Realisierbarkeit einer polymeroptischen Auswerteeinheit mittels Laserdirektlithographie gezeigt. Die Arbeit adressiert neben der Simulation auch die Herstellung, Charakterisierung und Evaluieren von ausschließlich aus Polymermaterialien hergestellten Arrayed Waveguide Gratings (AWG). AWG sind integrierte optische Wellenlängendemultiplexer und werden in dieser Arbeit zur Detektion von optischen Wellenlängenverschiebungen verwendet. Im Besonderen wird dabei der Fokus auf die Herstellung der AWG mittels Laserdirektlithographie gelegt. Die zurzeit am Markt erhältlichen AWGs werden zum größten Teil aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialen gefertigt. Die Herstellung solcher anorganischen Bauteile ist aufwendig, erfordern viele Prozessschritte unter Reinraumbedingungen und sind damit sehr kostenintensiv. Polymere bieten unter diesen Gesichtspunkten eine kostengünstige Alternative zu den anorganischen Materialien, da sie wesentlich preiswerter zu erwerben, einfacher zu verarbeiten und entsprechend auch kostengünstiger in der Produktion sind. In dieser Arbeit wird erstmals ein Polymer-AWG präsentiert, welches ausschließlich mittels Laserdirektlithographie hergestellt wurde. Diese maskenlose Lithographiemethode zeichnet sich vor allem durch ihre Flexibilität aus, was dieses Verfahren besonders für Anwendungen im Bereich der Entwicklung und Forschung oder für die Produktion von Kleinstserien prädestiniert. Neuerungen im AWG-Design können durch einfache und effizient implementierbare Änderungen der Grafikstrukturdatei vorgenommen werden. Wegen der inhärenten Ähnlichkeit mit maskenbasierten Lithographiemethoden kann der Prozess problemlos in eine andere Methode mit höherem Durchsatz überführt werden, sobald das optimale Design mit der gewünschten Funktionalität identifiziert wurde. Neben ausführlichen Simulationen, um die idealen Abmessungen der AWG unter Berücksichtigung der Möglichkeiten der verwendeten Herstellungsmethode und den Parametern der verarbeiteten Materialien zu finden, wurden umfangreiche Studien zur Optimierung der Parameter für das verwendete Lithographiesystem angestellt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden AWG mit 3 und 16 Ausgangskanälen auf einer Cycloolefin-Copolymer- beziehungsweise Polyimid-Substratfolie mit dem Co-Polymersystem EpoCore und EpoClad hergestellt. Diese wurden anschließend bezüglich ihrer Temperatur- und Polarisationsabhängikeit sowie ihrer Transmissivität untersucht. Die AWG wurden für eine Mittenwellenlänge von λ = 850 nm konstruiert und besitzen einen Kanalabstand von Δλ = 1 nm sowie einer Halbwertsbreite von FWHM = 1 nm beziehungsweise 0,7 nm. Abschließend konnte mit dem Vermessen mehrerer Lade- und Entladezyklen eines Lithium-Ionen-Akkumulators eine mögliche Anwendung für das Polymer-AWG erfolgreich demonstriert werden.In the present dissertation the feasibility of a polymer optical evaluation unit using direct laser lithography is shown. This work addresses not only the simulation but also the production, characterization and evaluation of arrayed waveguide gratings(AWGs), made exclusively from polymers. AWGs are integrated optical demultiplexer structures and are used in this work for the detection of optical wavelength shifts. Specifically, the production of AWGs using direct laser lithography is discussed. The majority of AWGs currently available on the market are made from silicon or other semiconductor materials. The manufacture of such inorganic components is complex, requires numerous process steps under clean room conditions and therefore very expensive. Polymers offer a costeffective alternative to inorganic materials, as they are much cheaper to purchase, easier to process and therefore more cost-effective to produce. In this work, a polymer AWG is presented for the first time, which was produced exclusively by direct laser lithography. This maskless lithography method is highly flexible, which makes this process particularly suitable for applications in the field of development and research or in the production of small series. Changes to the AWG design can be made by a simple and inexpensive change of the design file. As soon as the optimal design with the desired functionality has been found, the process can be easily converted to another method with higher throughput due to its inherent similarity to mask-based lithography methods. In addition to the extensive simulations to find the ideal dimensions of the AWG, taking into consideration the applied manufacturing method and parameters of the materials processed, extensive studies were carried out to find suitable parameters for the utilized lithography system. Based on these results, AWGs with 3 and 16 output channels were produced on a cycloolefin-Copolymer or polyimide substrate with the polymer system EpoCore and EpoClad. The structures were examined with regard to their temperature and polarization dependency as well as their transmission function. The AWGs were designed for a center wavelength of λ = 850 nm and have a channel spacing of Δλ = 1 nm and a half width of FWHM = 1 nm or 0.7 nm. Lastly, by measuring several charge and discharge cycles of a lithium-ion battery, a possible application of the polymer AWG was successfully demonstrated