Modellierung und Optimierung von Ionenaustauschprozessen für die Herstellung optischer Komponenten mit GI-Profil in Dünnglassubstraten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Elmar Griese; Dr.-Ing. Tolga Tekin
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 196044101

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Um den wachsenden Bedarf an extrem hohen Datenübertragungsraten in Datencentern und High Performance Computern zu decken, ist es aufgrund der deutlich höheren Übertragungsraten sinnvoll, eine Vielzahl der elektrischen Verbindungen durch optische Verbindungen zu ersetzen. Dabei werden optische Module in Computersystemen direkt auf den Tochterkarten platziert. Dadurch entsteht Bedarf an integrierten Lichtwellenleiterstrukturen in den Tochterkarten und den Backplanes. Diese elektro-optische Leiterplatten (EOCB) können durch das Einlaminieren von Dünnglasfolien in klassische elektrische Leiterplatten realisiert werden. In die Glaslage können durch Ionenaustauschprozesse optische Wellenleiter integriert werden. Eine Modellierung und Simulation der optischen und geometrischen Eigenschaften dieser Lichtwellenleiterstrukturen bzw. Splitter ist auf Grund der multiparametrischen Prozessführung äußert aufwendig. Auf Grundlage eines Vorwärtsmodells wurde mittels des zweiten Fick´schen Gesetzes der Ionenaustausch beschrieben. Im eindimensionalen Fall stimmten die mittels FEM berechneten Ergebnisse sehr gut mit den gemessenen Brechzahlprofilen überein. Bei der zweidimensionalen Modellierung waren deutliche Abweichungen zwischen Simulations– und Messergebnisse zu erkennen. Das durch die RNF-Methode gemessene 2D-Brechzahlprofil zeigte unerwünschte Ausbuchtungen auf. Der Einfluss der Maskenöffnung und auch des Maskenmaterials ist stärker als bisher angenommen und soll im 2. Förderabschnitt genauer untersucht werden. Zur Bestimmung der zur Prozessierung notwendigen Parameter bei gegebenen optischen Eigenschaften des Wellenleiters wurde ein Rückwärtsmodell zur Modellierung des Ionenaustausches entwickelt. Dazu wurde ein künstliches neurales Netz entworfen. Nach dem Training des Netzes können damit zuverlässig die zur Herstellung benötigten Prozessparameter bestimmt werden. Aufgrund von Verunreinigungen im Glas, durch Anwesenheit von Trennstellensauerstoffen in Abhängigkeit der Prozesstemperatur und des Maskenmaterials kam es zu einer starken Gelbfärbung der Gläser beim Prozessablauf. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf die Übertragungseigenschaften der Lichtwellenleiter und ist zu vermeiden. Diese Gelbfärbung kann durch Verwendung von hochreinen Gläsern mit einem hohen Al2 O3 -Gehalt reduziert werden und soll weiter untersucht werden. Beim Vergleich zwischen 1D- und 2D-Diffusionsprofilen bei identischem Glastyp und gleichen Prozessparametern zeigten sich signifikante Brechzahlunterschiede. Mögliche Ursachen sind intrinsische Spannungen, die durch unterschiedliche Ionenradien der Diffusionspartner entstehen. Auch Absorptionseffekte, die durch die konfokalen 3D-Volumenmessungen ermittelt worden sind, können einen Einfluss auf die optische Brechzahlbestimmung nehmen. Neben der Abhängigkeit von der Temperatur, der Schmelzkonzentration, der Prozesszeit und der Maskenbreite wurden weitere Zusammenhänge ermittelt. Die Auswahl des Maskenmaterials, die Glaszusammensetzung und induzierte Spannung wurden analysiert und sind als relevant einzustufen. Diese zusätzlichen Einflussgrößen lassen sich nicht vollständig mit dem entwickelnden Modellen abbilden. Diese Einflüsse sollen in einem Fortsetzungsprojekt untersucht und als Erweiterung in das bestehende Modell eingefügt werden. Dazu sind weitere Prozessierungen bei unterschiedlichen Prozessparametern für unterschiedliche Glastypen notwendig. Diese müssen messtechnisch mit geeigneten Methoden charakterisiert werden, um die aufgetretenen Effekte genauer analysieren zu können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “An Approach to Optimize the Diffusion Process for Graded Index Waveguides Fabrication in Thin Glass Sheets”; IEEE Photonics Conference (IPC), 12-16 October 2014; San Diego, USA
  D. Zhang, T. Kühler, J. H. Stosch, E. Griese
  
• “Development of an electro-optical circuit board technology with embedded single-mode glass waveguide layer”; Proc. ESTC, 16-18 September, 2014, Helsinki, Finnland
  L. Brusberg, D. Manessis, M. Neitz, B. Schild, H. Schröder, T. Tekin, K.-D. Lang
  
• “Single-mode board-level interconnects for silicon photonics”; Proc. OFC, 22-26 March 2015; Los Angeles, USA
  L. Brusberg; D. Manessis; Ch. Herbst; M. Neitz; B. Schild; M. Töpper; H. Schröder; T. Tekin,