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.
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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.

Integrated optics has emerged as a promising solution to the electronic interconnect bottleneck, enabling high bandwidth density and low power consumption. Recently, confining photochemical and physical reactions in a micro-volume has given an extra dimension to optical interconnection using glass or polymer materials. Three-dimensional waveguides can connect, combine, or split the optical signal among any blocks in all dimensions. However, due to the insufficient refractive index contrast, the reliable fabrication of free-form and single-mode three-dimensional buried waveguides is a challenge. ... mehr
This thesis presents a new concept to tackle this challenge using the combination of femtosecond direct laser writing in polymer and external diffusion of a gaseous monomer. Direct laser writing with two-photon absorption was used to initiate cross-linking along a programmed trajectory, to form the waveguide core. A sufficient refractive index contrast was produced for guiding single-mode Gaussian beams. The variation of the scanning speed and laser intensity enabled to vary the feature-sizes. This fabrication method requires only one layer of a single material without masks, contact, or wet processing.
By using this novel technique, three-dimensional waveguide array, fan-in/fan-out, splitters were fabricated. Free-form three-dimensional waveguides have high potential to improve the density and flexibility of optical interconnects at board level.