Untersuchungen zur Mikrointegration optischer Übertragungssysteme im Kurzstreckenbereich


Merchán Alba, José Fernando


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URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/32514
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-325141
Document Type: Doctoral dissertation
Year of publication: 2012
Place of publication: Mannheim
Publishing house: Universität Mannheim
University: Universität Mannheim
Evaluator: Brenner, Karl-Heinz
Date of oral examination: 10 October 2012
Publication language: English
Institution: School of Business Informatics and Mathematics > Optoelektronik (Brenner)
Subject: 620 Engineering
Classification: CCS: J7,
Subject headings (SWD): Optik , Optoelektronik
Individual keywords (German): Aktives Optisches Kabel , Optische Kommunikation , Integrierte Optik
Keywords (English): Active Optical Cables , Optical Communication , Integrated Optics
Abstract: The integration of optical micro-systems and high speed electronics has been of great interest in the last few years. Optical fibres offer attractive advantages for the transmission of information over distances, from a few centimetres up to some kilometres, but they also suffer from the accuracy requirements for the adjusting of coupling systems. In order to make more efficient, faster and smaller interconnects the application of MOEMS (Micro Opto-Electro-Mechanical Systems) to this type of communication systems is mandatory. In this thesis, the integration of micro-optical and electronic devices is investigated. The contributions of the author are: ­ Design of a novel optical micro-coupler: several mechanical and optical systems are embedded in a monolithic construction that facilitates the adjustment of the optical and electronic devices by using self-guiding structures. ­ Implementation of a simulation tool using the angular spectrum method: the propagation of plane waves between tilted planes described by Brenner [36] was implemented in order to predict the characteristics of the optical coupler. With regard to the simulations, the adjusting systems were designed and constructed, and the fabrication accuracies for the optical coupler were set. ­ Examination of GRIN-rod lenses properties: considering the focusing properties of this type of lenses, theoretical and laboratory results were compared in order to predict the improvement on the coupling efficiency by using the GRIN-rod lenses in the designed coupling concept. ­ Fabrication of the optical coupler: based on the design and simulation results the optical coupler was manufactured using plastic replication of metal masters. ­ Construction of an active optical cable (AOC): the microelectronic systems for the integration with the manufactured optical coupler were designed and fabricated. ­ Design and construction of the integration system: a concept for the integration of the optical with the electronic systems was developed. The adjustment was simplified by including alignment structures in the design of the optical and electronic systems. ­ Design and construction of a high speed video transfer system: to test the optical systems, electronic boards were designed and manufactured. The characteristics of the electrical transmission lines are determined for the specific design, and some strategies to minimise negative effects inherent to the construction are suggested. ­ At the end of the thesis, some forward-looking models are presented, to show how the concept could be implemented in the future.
Translation of the abstract: Die Integration optischer Mikrosysteme und Hochgeschwindigkeitselektronik ist in den letzten Jahren von großem Interesse gewesen. Optische Fasern bieten attraktive Vorteile für die Übertragung von Information über Abstände von einigen Zentimetern bis einigen Kilometern, aber diese leiden unter den hohen Genauigkeitsanforderungen für die Justier- und Koppelsysteme. Um diese Verbindungen effizienter, schneller, und kleiner zu machen, die Anwendung von MOEMS (Micro Opto-Electro-Mechanical Systems) in dieser Art Kommunikationssysteme ist erforderlich. Die Integration von mikro-optische- und elektronische Bauteile wird in dieser Doktorarbeit untersucht. Die Beiträge des Autors sind: ­ Design eines neuartigen optischen Mikrokopplers: mehrere mechanische und optische Systeme wurden in einem monolithischen Konstrukt eingebettet, dass durch die Benutzung von selbstjustierenden Strukturen die Justage der optischen und elektronischen Bauteile vereinfacht. ­ Implementierung eines auf der ”angular spectrum” Methode basierten Simulationswerkzeugs: die Ausbreitung von ebenen Wellen zwischen gekippten Flächen von Brenner [36], wurde implementiert um die Eigenschaften des optischen Kopplers vorherzusagen. Die Justiersysteme wurden unter Berücksichtigung der Simulationen gestalten und konstruiert. Die Fabrikationsgenauigkeitenwurden mithilfe der Simulation gesetzt. ­ Untersuchung der Eigenschaften von GRIN-rod Linsen: um die Abbildeigenschaften dieser Linsen zu charakterisieren wurden theoretische- und Laborergebnisse verglichen. Die Effizienz des vorgestellten Koppelkonzeptes wurde durch die Benutzung von GRIN-rod Linsen erhöht. ­ Fabrikation des optische Kopplers: der optische Koppler wurde unter Berücksichtigung der Simulationsergebnissen hergestellt. ­ Konstriktion eines aktiven optischen Kabels (AOC): die mikroelektronische Systeme wurden erfolgreich mit den optischen Bauteilen integriert. ­ Gestaltung und Konstruktion des Integrationssystems: ein Konzept zur Integration der optischen und elektronischen Bauteile wurde entworfen. Die Justage wurde durch die Integration von Justierelementen in das System vereinfacht. ­ Gestaltung und Konstruktion eines Hochgeschwindigkeitsübertragungs-system: elektronische Systeme wurden gestalten und hergestellt um die optische Systeme zu überprüfen. Die Eigenschaften der elektrische Übertragungskanäle wurden für ein spezifisches Design festgestellt, und einige Strategien um die negative Einflusse zu vermeiden wurden vorgeschlagen. Am Ende der Arbeit werden einige zukunftweisende Modelle präsentiert. (German)

Das Dokument wird vom Publikationsserver der Universitätsbibliothek Mannheim bereitgestellt.




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