Titelaufnahme

Titel
Opto-elektronische Leiterplatten Kopplung zwischen VCSEL und Mehrfachkern-Wellenleitern / Gerhard Schmid
VerfasserSchmid, Gerhard
Begutachter / BegutachterinLeeb, Walter ; Aussenegg, Franz
Erschienen2011
UmfangXII, 130, b S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)opto-elektronische Leiterplatten / Mehrfachkern-Wellenleiter / Multimode-Wellenleiter / Multimode-VCSEL / optische Rückkopplung
Schlagwörter (EN)opto-electronic printed circuit board / multi-core waveguide / multimode waveguide / multimode VCSEL / optical feedback
Schlagwörter (GND)Gedruckte Schaltung / Optoelektronische Schaltung / Wellenleiter / Mehrphotonenprozess / Absorption / VCSEL-Laser / Optische Rückkopplung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-49789 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Opto-elektronische Leiterplatten Kopplung zwischen VCSEL und Mehrfachkern-Wellenleitern [7.4 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

In zukünftigen, leistungsfähigen Computern und Routern werden elektrische Leitungen auf Leiterplatten die Anforderungen hinsichtlich Bandbreite und Energiebedarf nicht mehr erfüllen. In dieser Arbeit zeige ich, dass optische Datenverbindungen auf Leiterplatten eine vielversprechende Alternative darstellen. Mit aktuell verfügbarer Technologie erlauben sie bei Leitungslängen im Bereich von Dezimetern bereits eine mehr als 200-fache Datenrate gegenüber Mikrostreifenleitungen, wenn beide Technologien den gleichen transversalen Querschnitt nutzen. Darüber hinaus lassen die aktuellsten Ergebnisse von Simulationen erwarten, dass in Zukunft optische Datenverbindungen realisiert werden können, die bereits ab einer Leitungslänge von einigen Millimetern weniger Energie als elektrische Verbindungen benötigen. Aufgrund der potentiell höheren Datenrate und des geringeren Energieverbrauchs gehe ich davon aus, dass bei Supercomputern und High-End-Routern der nächsten Generationen erstmals optische Datenverbindungen innerhalb von Leiterplatten eingesetzt werden.

Abgeleitet von Prototypen opto-elektronischer Leiterplatten, deren Wellenleiter mit Hilfe von Zwei-Photonen-Absorption geschrieben wurden, präsentiere ich das Modell eines Mehrfach-Wellenleiters mit sieben Kernen. Der transversale Brechungsindexverlauf der Einzelkerne ist in diesem Modell gaußförmig, er überlappt sich leicht, der maximale bzw.

minimale Index beträgt 1,518 bzw. 1,515. Mit Hilfe der Methode der finiten Differenzen habe ich die transversale Feldverteilung der 49 Eigenmoden dieses Mehrfachkern-Wellenleiters bei einer Wellenlänge von 850nm berechnet und das Dispersionsdiagramm ermittelt. Bei der im vorliegenden Fall schwachen Kopplung findet eine vollständige Überkopplung der optischen Leistung zwischen den Einzelkern-Wellenleitern je nach betrachtetem Eigenmodus innerhalb einer Ausbreitungsdistanz von einigen Millimetern bis mehreren Metern statt.

Für die Berechnung von Einkoppeleffizienzen zwischen einem VCSEL und dem Mehrfachkern-Wellenleiter habe ich die Laseremission vom einem in Leiterplatten-Prototypen verwendeten Multimode-VCSEL durch eine Überlagerung von LP-Eigenmoden modelliert. Die Berechnungen wurden dabei mit Hilfe zweier numerischer Methoden durchgeführt. Ihre Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung. Mit dem Grundmodus LP01 des VCSEL erreicht man eine Einkoppeleffizienz von 67%, wenn der Laser und der Wellenleiter ideal zueinander justiert sind. Der Modus mit der zweithöchsten Effizienz, LP02, erreicht nur mehr etwa 25%, die verbleibenden Moden noch deutlich weniger. Ich zeige, wie fast jede Art von Fehljustierung die Einkoppeleffizienz für sämtliche VCSEL-Moden reduziert. Lediglich eine Winkelabweichung zwischen Strahlachse und Wellenleiterachse kann für einige Moden höherer Ordnung zu einer Erhöhung der eingekoppelten Leistung führen. Ich zeige weiter, dass bei idealer Justierung durch den Mehrfachkern-Wellenleiter keine Erhöhung der Einkoppeleffizienz gegenüber einem Einzelkern-Wellenleiter erreicht wird und auch, dass keine Erhöhung durch eine spezielle Wahl der Parameter des Wellenleiters erreicht wird, sofern die Werte des maximalen und minimalen Brechungsindex unverändert bleiben.

Schließlich zeige ich, dass Rückreflexionen der Ausgangsleistung in den Laserresonator die Modenverteilung eines Multimode-VCSEL stark beeinflussen können. Dies kann störende Schwankungen der Einkoppeleffizienz nach sich ziehen, speziell wenn sich die Phase des rückreflektierten Lichts ändert. Singlemode-VCSEL könnten dieses Problem umgehen, da sie nur einen Modus emittieren. Unter der Annahme, dass dieser Modus dem Grundmodus des Multimode-VCSEL gleicht, ist die Einkoppeleffizienz auch höher als die durchschnittliche Effizienz bei Einsatz eines Multimode-VCSEL.

Zusammenfassung (Englisch)

In future high-performance computers and routers, electrical lines on printed circuit boards (PCBs) will no longer fulfill the requirements concerning bandwidth and power consumption. In this dissertation I show that optical interconnects on PCBs represent a promising alternative. With currently available technology and for line lengths in the range of tens of centimeters they allow more than 200 times the data rate of microstrip lines when both technologies are using the same transverse cross-section. Further, the latest results of simulations indicate that in near future optical interconnects can be realized which require less energy than electrical connections for line lengths from a few millimeters upwards. Due to the potentially higher data rate and lower power consumption I assume that in next-generation supercomputers and high-end routers optical data links within PCBs will be used for the first time.

Derived from prototypes of opto-electronic circuit boards with two-photon absorption written waveguides, I present a model of a multi-waveguide with seven cores. The transverse refractive index profile of the individual cores is Gaussian in this model, it overlaps slightly and the maximum and minimum index is 1.518 and 1.515, respectively. Using the finite difference method, I calculated the transverse field distribution of the 49 eigenmodes of this multi-core waveguide for a wavelength of 850nm, as well as the dispersion diagram.

For the present case of weakly coupled (single-core) waveguides I calculate that a complete optical power transfer occurs after a propagation distance of a few millimeters up to a few meters, depending on the eigenmode considered.

For the calculation of the coupling efficiency between a VCSEL and the multi-core waveguide I modeled the laser emission of a multimode VCSEL used in opto-electronic circuit board prototypes by a superposition of LP eigenmodes. The calculations were done with the help of two numerical methods. I demonstrate a very good agreement of their results. With the VCSEL's fundamental mode LP01 one achieves a coupling efficiency of 67% when the laser and the waveguide are perfectly aligned to each other.

The mode with the second highest efficiency, LP02, achieves only about 25%, the remaining modes considerably less. I show that almost any kind of misalignment reduces the coupling efficiency for all VCSEL modes.

Only an angular misalignment between beam axis and waveguide axis may lead to an increase of the coupled power for some higher order modes. I further show that for ideal alignment the multi-core waveguide does not increase the coupling efficiency compared to a single-core waveguide, and also that no increase is achieved by a special choice of the parameters of the waveguide as long as the values of maximum and minimum refractive index remain unchanged.

Lastly I show that back reflections of the output power into the laser cavity can influence the mode distribution of a multimode VCSEL strongly. This can cause unwanted fluctuations in the coupling efficiency, especially when the phase of the back-reflected light varies. Singlemode VCSELs could avoid this problem, since they emit only one mode. Further, when assuming that this mode equals that of the fundamental mode of the multimode VCSEL, the coupling efficiency is higher than the average one obtained with multimode VCSELs.