Elektro-optische Leiterplatte (EOCB)

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Illuminierte Lichtwellenleiter
© Fraunhofer IZM
Prozesskette zur Integration von Lichtwellenleitern in großformatiges Dünnglas

3 Themenfelder motivieren den Bedarf

  1. Die moderne Telekommunikationstechnik erfordert erhebliche technologische Fortschritte im Bereich der photonischen Aufbautechnik, um dem enormen Wachstum an Daten gerecht zu werden. Diese Fortschritte müssen insbesondere in Datenzentren erzielt werden, die als Kontenpunkte die größten Datenströme verteilen. Jedoch auch in beispielsweise autonom fahrenden Fahrzeugen müssen große Datenmengen verarbeitet und verteilt werden.
  2. In vielen Forschungsbereichen wächst der Einsatz von optischer Sensorik. Dafür werden meist Freistrahlaufbauten oder Glasfasern eingesetzt. Diese können jedoch unter Zuverlässigkeitsproblemen, insbesondere im Hinblick auf mechanische Stabilität, leiden und weisen oft eine geringe Integrationsdichte auf.
  3. Die Quantentechnologie stellt in vielen Anwendungen hohe Anforderungen an die Dimensionsstablität der eingesetzten Materialen über einen breiten Temperaturbereich, an ein hermetisches Packaging und eine hohe Transparenz über einen breiten Wellenlängenbereich.

Lösungsansatz

Die Kombination aus elektrischen und optischen Lagen in einer Leiterplatte oder einem Chip bietet Lösungen für die genannten Probleme an. Das Fraunhofer IZM hat bereits 1999 das Konzept einer solchen elektro-optische Leiterplatte vorgestellt und forscht bis heute daran. Seit 2003 wird die optische Lage aus kommerziell verfügbaren großformatigen Dünngläsern gefertigt.

Mit elektrisch-optischen Leiterplatten kann das große Potential der optischen Signalübertragung auch auf Leiterplatten- und Chip-Ebene ausgeschöpft werden. In der Telekommunikationstechnik können in die optische Lage integrierten Lichtwellenleiter die Signale von Glasfasern aufnehmen und bis zu auf der Leiterplatte befindlichen Bauteilen leiten. Solche elektrischen und optischen Umverdrahtungslagen werden in aktuell viel beachteten Konzepten wie dem co-packaging benötigt. In der optischen Sensorik können solche  Lichtwellenleiter, die Licht gezielt in Wechselwirkungen mit Analyten bringen, genau wie die für viele Anwendungen hervorragenden Eingeschalten von Glas im Hinblick auf Biokompatibilität und chemisches Resistenz, vielfältig eingesetzt werden. Dabei wird durch die Integration in ein Dünnglas die mechanische Stabilität im Vergleich zu Fasern erhöht und die Vermeidung aufwändiger Strahlformungs- und führungsaufbauten erhöht die Integrationsdichte. In Anwendungen der Quantentechnologie bietet die Kombination aus elektrischer und optischer Funktionalisierung von Glas vielfältige Möglichkeiten um optische Aufbauten von der optischen Bank auf die Systemebene zu bringen.

In den vergangenen mehr als 20 Jahren wurden im Fraunhofer IZM in enger Zusammenarbeit mit Forschungs- und Industriepartnern ein Prozess entwickelt, der unter Verwendung von kommerziellem Equipment die Fertigung elektrisch-optischer Leiterplatten mit den folgenden Spezifikationen ermöglicht:

  • Boardgröße: bis zu 457 x 305 mm2
  • Boarddicke: 300 – 700µm
  • optische Lage
  • Gradientenindexwellenleiter
  • mono- und mehrmodig
  • Ausbreitungsverluste <0,6 dB/cm (@1550nm)
  • transparent für 400 – 1600 nm
  • elektrische Lage
  • strukturierte Metalllagen: Al, Cr, Cu, Tu, Wti
  • line-space: bis zu 3µm
  • galvanischer Aufbau: Ag, Au, Cu, Ni
image LIDAR
© Fraunhofer IZM | Volker Mai
Elektrisch funktionalisiertes Glasboard für eine LIDAR Anwendung

Projekte im Bereich EOCB

SEPIANet

Ziel des Projekts war die Entwicklung von Technologielösungen für eingebettete optische Architekturen in Head-End-Systemen von Zugangsnetzen, die eine erhebliche Verringerung des Stromverbrauchs, eine höhere Energieeffizienz, eine größere Systemdichte und eine Skalierbarkeit der Bandbreite ermöglichen, was in den heutigen kupferbetriebenen Zugangsnetzsystemen derzeit nicht möglich ist.

PhoxTroT

Große Rechenzentren und Supercomputer sollen bald wesentlich kosten- und energieeffizienter und zugleich noch leistungsfähiger werden. Dieses ehrgeizige Ziel haben sich Fraunhofer-Wissenschaftler und 17 Partner aus Wirtschaft und Forschung in dem EU-Projekt „PhoxTroT“ gesetzt.

HighConnect

Validierung eines Verfahrens zur fertigungstauglichen Integration von nanodimensionalen photonischen Chips in hybride elektro-optische Baugruppen

HyPOT

Erfolgreich erreichtes Ziel des Projektes war es, einen glasbasierten Interposer mit einer Übertragungsrate von 300Gb/s zu entwickeln. Dabei standen optische und Hochfrequenzeigenschaften sowie die Erzeugung von Through-Glass-Vias im Mittelpunkt.

 

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Elektro-optische Leiterplatte

Ausgewählte Veröffentlichungen

2020

Schwietering, J.; Herbst, C.; Kirsch, O.; Arndt-Staufenbiel, N.; Wachholz, P.; Schröder, H.; Schneider-Ramelow, M.: Integrated optical single-mode waveguide structures in thin glass for flip-chip PIC assembly and fiber coupling. https://doi.org/10.1109/ECTC32862.2020.00036

2019

Schröder, H.; Neitz, M.; Schneider-Ramelow, M.: Demonstration of glass based photonic interposer for mid-board-optical engines and electro-optical circuit board (EOCB) integration strategy. https://doi.org/10.1117/12.2297363

Neitz, M.; Röder-Ali, J.; Marx, S.; Herbst, C.; Frey, C.; Schröder, H.; Lang, K.-D.: Insertion Loss Study for Panel-Level Single-Mode Glass Waveguides. https://doi.org/10.1117/12.2252802

2016

Brusberg, L.; Neitz, M.; Pernthaler, D.; Weber, D.; Sirbu, B.; Herbst, C.; Frey, C.; Queisser, M.; Wöhrmann, M.; Manessis, D.; Schild; B.; Oppermann, H.; Eichhammer, Y.; Schröder, H.; Håkansson, A.; Tekin, T.: Electro-optical circuit board with single-mode glass waveguide optical interconnects. https://doi.org/10.1117/12.2208103

Brusberg, L.; Whalley, S.; Pitwon, R.; Faridi, F.; Schröder, H.: Large Optical Backplane With Embedded Graded-Index Glass Waveguides and Fiber-Flex Termination.  https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2529651

2003

Schröder, Henning; Arndt-Staufenbiel, Norbert; Cygon, Manfred; Scheel, Wolfgang (2003 pp. 1053-1059.): Planar Glass Waveguides for High Performance Electrical-Optical-Circuit-Boards (EOCB) - The Glass-Layer-Concept. The Glass-Layer-Concept. 53rd Electronic Components and Technology Conference. 53rd Electronic Components and Technology Conference, 2003. Proceedings., New Orleans, Louisiana, USA, 2003 pp. 1053-1059.

1999

Krabe, Detlef; Scheel, Wolfgang (Hg.) (1999): Optical interconnects by hot embossing for module and PCB technology - the EOCB approach. 49th Electronic Components and Technology Conference. San Diegeo, California, June 1-4.  10.1109/ECTC.1999.776342