Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Optische Verbindungstechnik

Photonic Packaging & Interconnection Technologies

Unsere Kernkompetenz ist die Entwicklung innovativer Packages für Komponenten und Systemen aus Mikroelektronik, Optik und Mikrosystemtechnik. Wir sind Entwicklungspartner für unsere Kunden aus Kommunikationstechnik, Sensorik, Consumerindustrie, Medizintechnik und Lasertechnik für hybrid integrierte Prototypen und Kleinserien auf Basis verschiedener Materialien (Polymer, Glas, Keramik, Glasfaser, Silizium). Der Einsatz von Technologien der Mikrosystemtechnik ermöglicht höchste Präzision und die Automatisierung der Prozesse.

Durch kundenfreundlich organisierte Projekte profitieren unsere Kunden von der systematischen Simulation, dem kundenspezifischen Entwurf und den Möglichkeiten der hochmodernen Anlagentechnik sowie Untersuchungen der Zuverlässigkeit und der Fehleranalyse. Diese breite Basis dient zur Entwicklung kundenspezifischer Lösungen und wissenschaftlicher Weiterentwicklung photonischer Aufbau- und Verbindungstechnik. Unsere Kunden können die Inertialkosten und das Risiko ihrer Produktentwicklung reduzieren und schneller am Markt sein.

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Optische Aufbau- und Verbindungstechnik photonischer Komponenten

image - Working Groups - Optical Interconnection Technology

Präzisionsbestückung mikrooptischer Komponenten

In der Arbeitsgruppe OIT – optische Verbindungstechnik werden automatisierte Bestückung und Justage von mikrooptischen Bänken, Baugruppenträgern wie Leiterplatten, Keramiken und Glassubstraten durchgeführt. Eine spezielle Anwendung ist das Anbringen von Linsenarrays an Laserdiodenbarren mit mehreren Emittern, die höchste Anforderungen an Montagepräzision und Klebe- bzw. Lötverbindungen stellt. Darüber hinaus wird an speziellen Packaging-Prozessen zur robusten, hermetischen Verkapselung von System gearbeitet.

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Elektro-optische Leiterplatte

image - Working Groups - Optical Interconnection Technology

Übersicht Elektro-optische Leiterplatte (EOCB)

  • In Glas integrierte Lichtwellenleiter
  • Metallisierung auf Glas
  • Laserstrukturierung von Glas
  • Schnittstellentechnologien
  • Optische Charakterisierung

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.

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Faseroptische Verbindungstechnik und Sensorik

image - Working Groups - Optical Interconnection Technology

Optical fiber processing

Es können optische Fasern unterschiedlicher Geometrien und spektraler Betriebsbereiche von UV zu MIR verarbeitet werden, um radial-abstrahlende Fasern, verschmolzene Koppler, Faserlinsen, –bündel und -kappen, 3D-Resonatoren, gebogene Fasern, Faser-zu-Chip- und Faser-zu-GRIN-Linsen- Verbindungen etc. herzustellen.

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Optische Sensorik

Die optische Sensorik bietet großes Potenzial in Richtung hohe Auflösung, elektromagnetischer Unempfindlichkeit, elektrische Isolierung in einem großen Dynamikbereich. In Anbetracht dieser besonderen Eigenschaften wird die Wichtigkeit bei Anwendungen wie Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Umwelt- und Atmosphärenüberwachung deutlich.

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Photonik (Prozess- und Produktentwicklung)

LED Design – Aufbau – Charakterisierung

Das Fraunhofer IZM hat schon früh die Entwicklung der LED als Leuchtmittel verfolgt. Ziel waren das Erreichen einer maximalen Leuchtdichte sowie die Umsetzung kosteneffizienter und trotzdem ausreichend zuverlässiger Module. mehr info

Präzisionsbestückung mikrooptischer Komponenten

In der Gruppe „Optische Verbindungstechnik“ wird die hochpräzise automatisierte Bestückung und Justage von mikrooptischen Bänken, Baugruppenträgern wie Leiterplatten, Keramiken und Glassubstraten durchgeführt. mehr info

Produktionstechnologie für Optische Systeme für Hochleistungsdiodenlaser (PrOpSys)

In diesem Industrieprojekt wird eine automatische Montagestation entwickelt, die die derzeitige manuelle Montage ablösen soll. Es soll ein Demonstrator mit Montageplattform, Verfahrsystem, optischer Messtechnik und Fixierungsmöglichkeit konzipiert und aufgebaut werden. mehr info

Optoelektronik

Welche Anforderungen müssen optoelektronische Komponenten heute erfüllen? Worin unterscheiden sie sich bei Laser und Empfangsdioden im Vergleich zu optischen Messsystemen? mehr info

 

Photonik (Prozessdienstleitungen)

Füge- und Strukturierungstechnik in Polymer für optische und fluidische Anwendungen

Im Bereich der optischen Aufbau- und Verbindungstechnik mit Polymeren befasst sich das Fraunhofer IZM mit Technologien und Prozessen zum Fügen von photonischen Baugruppen mittels Kleben und Polymerfaser-Bonden sowie der Strukturierung von Polymeren mittels Heißprägen. mehr info

Herstellung optischer Fasersonden

Neben den herkömmlichen Fasertechnologien wie Spleißen, Polieren und Coating werden Glasfasern für spezifische Packaginganforderungen mit anwendungsspezifischen Faserlinsen versehen, vor allem für Telekommunikationsmodule und medizinische Anwendungen. mehr info

Biegen von Glaskapillaren und -fasern mittels CO2 Laser

Das Verfahren zum Biegen von Glaskapillaren und –fasern basiert im Wesentlichen auf einer teilautomatisierten Biegevorrichtung und einem CO2‑Laser. Je nach Typ der Kapillare bzw. Faser können Biegeradien bis zu 0,5 mm erzeugt werden. mehr info

Klebstofffreies Verbinden von Glasfasern und Kapillaren mittels Laserschweißen

Laserschweißen zur Herstellung von stoffschlüssigen, faseroptischen oder mikrofluidischen Glas/Glas-Verbindungen.  mehr info

Insektenlaser

Projekt

Mit einer Kombination aus smarter Lasersystem-Integration und KI-basierter Bilderkennung ermöglichen Forschende den Sprung in die Landwirtschaft 4.0 – mit zunehmender Digitalisierung und dem neu entstandenen Begriff „Agriphotonik“.

Das Projekt „Insektenlaser“ konnte aufklären, dass die am Fraunhofer IZM konzipierte und im Insektenlaser verwendete Lasertechnik in Verbindung mit automatisierter Bilderkennung für den Einsatz im Vorratsschutz geeignet ist.

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image - Insektenlaser

Photonische Biosensoren der nächsten Generation

Projekt PoC-BoSens

Labelfreie photonische Sensorplattformen revolutionieren seit Kurzem die Methoden der Point-of-Care-Diagnostik. Sie ermöglichen eine hohe Empfindlichkeit, die für die schnelle und zuverlässige Erkennung von Infektions- und Autoimmunkrankheiten erforderlich ist, sowie hohe Kompaktheit, mit der ein hoher Grad an Integration erreicht wird. PoC-BoSens ist ein transnationales Projekt, das zur Entwicklung eines tragbaren Geräts beiträgt, das auf der Grundlage eines Arrays dieser hochempfindlichen photonischen Mikroresonatoren aufgebaut ist.

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Next generation photonic biosensors
© addDesign/Tobias Schirmer

QuantumCascade

Projekt

Ziel des Projekts QuantumCascade ist, eine multispektrale MIR-Lichtquelle als einfach-integrierbare System-Komponente zu entwickeln. Diese ermöglicht es dann Anwendungen zu realisieren, welche auf der mittel-infraroten Strahlung basieren ohne dass sich der Anwender mit der komplexen Technologie einer multi-spektralen Lichtquelle beschäftigen muss. So wird es auch Unternehmen aus anderen Bereichen, z.B. Medizintechnik, ermöglicht innovative Systeme aufzubauen ohne das Risiko selbst eine stabil geregelte Licht-Quelle aufbauen zu müssen.

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QuantumCascade
© Fraunhofer IZM

Geräte/Maschinen

  • CREAVAC – CREAMET 600 CL2 S3 
    • Sputtering of metal coatings
    • Flexible material variation due to three simultaneously installed targets.
    • Panel size up to 610 mm x 610 mm 
  • Ahk Compact-Dip 
    • Photoresist dip-coater
    • Positive and negative photoresist 
    • Panel size up to 610 mm x 610 mm
    • down to 2µm thin layer
  • MDI – LD600G 
    • Laser system for glass cutting and structuring 
    • Hybrid laser machine (532 nm and 10.6 µm) 
    • Panel size up to 610 mm x 610 mm
  • Splicer (Fiberdiamter 50-2000µm)

  • Recoater for fibers
    • Diameter <280µm (possible other)
    • 4-50mm lenght
  • Alignment / Pick‘n‘place Machines 
    • Industrial production machines (ficonTEC AL 500 / 1000, 6 DOF-grippers + additional motion axes) 
    • Piezo hexapod lab systems (13 DOF with nm resolution) 
    • Finetech FINEPLACER Sigma (sub-µm placement accuracy in fully manual or semi-automatic configuration
    • Various Interconnection Technologies Glueing, Soldering, Silver Sintering
    • Bond Forces up to 500N
    • Temperature up to 300°C
  • UHV comined coating device (CREAMET 500 Cl3) 
    • Wafer/Panel size up to 200 x 200 mm² 
    • Ion source for pretreatment
    • 2 independent, combinable processing chambers
      • 1.  RF/DC sputtering for wolfram, nickel, chromium or others
      • 2. 6kW multipocket vaporizer
        • Metals / metal oxides (Au, Al, TiO2, Al2O3, etc.)
        • Layer thickness: several nm…300 nm with structure dimensions of several mm x mm
        • Layer homogeneity: ±3% auf 200 x 200 mm
  • Mikro-UHV vacuum bonder (Lava-X)
    • Hermetically sealed connections of glass substrates by laser-aided heating of glass solders
    • Incl. high-performance fibre laser
    • DProcessing in high vacuums (up to 10^-7mbar) or controlled atmospheres  
  • 3D glas printer (Lightfab) 
    • Sample sizes: 200 by 200 mm
    • Resolution: 1µm
    • Processing of 3D microstructres by SLE+KOH
    • Glass welding
    • 3D waveguide etching in glass
    • 2PP (3D laser-lithographie)

Messequipment

  • Shrinkage measurement station
    • Measuring thin adhesive layers (typ 100µm)
    • Shrinkage path resolution: 50nm
  • Near field refractometer
    • 1D and 2D profiles of refractive index
    • Measurement wavelength: 678 nm
    • n = 1.42 – 1.62, Resolution: 10-4
  • Prisme coupler (Metricon 2010/M)
    • Abbe refractometer and m-line spectroscope
    • n = 1.0 – 2.1, Resolution: 10^-4
    • Measurement wavelengths: 406, 633, 830, 1,550 nm
    • Layer thickness measurement (inverse WKB)
  • (Self-build) Waveguide characterization tool
    • Insertion, coupling and propagation losses (single- and multi-mode)
    • Sample size: 40 – 400 mm length, 10 – 300 mm width
    • Available wavelengths:
      • Single-Frequency-Laser: 635nm, 710 – 735nm, 780nm, 840 – 877nm,  
        1310nm and 1550nm
      • Broadband source: 410 – 2400 nm 
    • Mode field diameter (fiber and PIC)
      • IR-Camera (SWIR camera Goldeye G-130)
        • Spectral range of 400 nm – 1700 nm
      • Transversal offset method
  • Automatic waveguide coupling system
    • Semi-automatic optical chip- & panel-level tester (insertion losses, mode field diameter, coupling losses . . .)
    • Fast Precision Alignment and Assembly of fiber-to-chip
  • Luna OBR 4600 Optical Backscatter Reflectometer (OBR)
    • Optical frequency domain reflectometer
    • Measurement wavelength: 1,525 – 1,610 nm
    • Sampling resolution
      • 10 μm (30 m length)
      • 20 μm (70 m length)
      • 1 mm (2000 m length)
    • Backscatter-level sensitivity: -130 dB
    • RL dynamic range, 80 dB
    • IL dynamic range, 18 dB
  • General characterization
    • Keyence VHX 6000 – light microscope:
      • 2D & 3D visualization
    • Olympus LEXT OLS4000 – laser measuring microscope:
      • 3D nano meter level imaging
      • Z-resolution 2nm,  X/Y resolution 200nm
  • WITec alpha300RS 
    • Correlative Raman and Scanning Near-field Optical Microscopy (SNOM) 
    • High-resolution optical imaging beyond the diffraction limit (ca. 60 nm laterally)
  • Optical Spectrometer (200-800nm) and (190-1700nm) 
  • Optical Spectrum Analyzer (Yokogawa AQ6370D-22)
    • Wavelengths from 600 to 1700 nm
    • High wavelength precision: ±0.01 nm
    • High wavelength resolution: 0.02 nm
    • Wide dynamic range: 78 dB typ.
    • Wide input level range: +20 to -90 dBm
  • Nearfield Gonimeter (270-1300nm)
    • LEDs and small emitters
    • Resolution: 0.5°

Design/Simulation

  • Solidworks
  • Altium
  • Downstream CAM®
  • Ansys (u.a. Lumerical)
  • Comsol®
  • Zemax®
 

© Fraunhofer IZM

Video

Online Expert Session: Structured Glass for Electronic and Photonic Packaging

Dr.-Ing. Henning Schröder