Effizienz durch Zwei-Photonen-Absorption

Dr. Ruth Houbertz und Sönke Steenhusen wurden auf der SPIE Konferenz PHOTONICS West 2013 in San Francisco mit dem  Green Photonics Award ausgezeichnet (Foto: SPIE)

Dr. Ruth Houbertz und Sönke Steenhusen wurden auf der SPIE Konferenz PHOTONICS West 2013 in San Francisco mit dem Green Photonics Award ausgezeichnet (Foto: SPIE)

Die Rechenleistung von Computersystemen steigt stetig an, und gleichzeitig erfordert ihr Betrieb sehr große Mengen Energie. Über 56 Prozent des Energieverbrauchs moderner Hochleistungsrechner ist auf Mikroprozessoren, Speicherchips und andere Chip-Sets zurückzuführen. Zusätzlich kommt der optischen Datenübertragung auf kurzen Längenskalen durch die begrenzte Bandbreite und die Nachteile elektrischer Verbindung daher eine immer größere Bedeutung zu. Um 1 Bit Daten zu übertragen, benötigen elektrische Datenleitungen z. T. mehrere 10 pJ. Durch optische Datenübertragung könnte 1 Bit mit weniger als 1 pJ an aufgewendeter Energie übertragen werden. Dr. Ruth Houbertz entwickelte mit ihrem Team am Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg eine effiziente Methode der Zwei-Photonen-Absorption zur Wellenleiter-Herstellung. Für diese Technologie haben Ruth Houbertz, Sönke Steenhusen und Timo Grunemann im Februar 2013 den internationalen Preis »Green Photonics Award« im Bereich optische Kommunikation auf der SPIE-Konferenz PHOTONICS West in San Francisco erhalten.

In den letzten Jahren haben optische Datenübertragungstechnologien die Informations- und Kommunikationstechnik revolutioniert. Extrem hohe Datenübertragungsraten bei ständig sinkenden Kosten, eine geringe optische Dämpfung und hohe Störsicherheit sowie hohe Flexibilität im Design und der Integration optischer Übertragungspfade machen derartige optische Datenübertragungstechnologien für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv, angefangen beim Datenaustausch in Fahrzeugen über den in Zugangsnetzen bis hin zur Anwendung in Datencentern und Supercomputern. Optische Interconnects stellen damit eine Schlüsseltechnologie für zukünftige Kommunikationstechnologien dar. Der hohe Bandbreitenbedarf von komplexen Applikationen wird optische Datenverbindungen auf unterschiedlichen Packaging-Ebenen (Chip zu Chip, Chip zu Board) erforderlich machen, da bei hohen Datenraten Kupferverbindungen durch z. B. frequenzabhängige Signallaufzeiten und Übersprechen an ihr Limit stoßen.

Energie- und umweltschonender Prozess

Ruth Houbertz, Sönke Steenhusen (rechts) und Thomas Stichel (vorne) im Laserlabor – 3D-Strukturierung mit TPA. (Foto: Fraunhofer ISC)

Ruth Houbertz, Sönke Steenhusen (rechts) und Thomas Stichel (vorne) im Laserlabor – 3D-Strukturierung mit TPA. (Foto: Fraunhofer ISC)

Auch um eine Vielzahl an Kupferleitungen zu ersetzen und damit Ressourcen zu sparen, können optische Verbindungen ohne aufwendige Abschirmungsdesigns eingesetzt werden: Die optische Signalübertragung ist konkurrenzlos hinsichtlich Datenrate, Reichweite, Störsicherheit und Energieverbrauch im Vergleich zu den derzeit gebräuchlichen elektrischen Datenverbindungen. Darüber hinaus lässt sich mit einer optischen Aufbau- und Verbindungstechnik aufgrund ihrer Störunempfindlichkeit eine sehr hohe Integration erreichen – günstige Voraussetzung für eine weitere Miniaturisierung. Seit mehr als 15 Jahren werden von vielen internationalen Forschungsinstituten und Firmen verschiedene Konzepte untersucht, um optische Wellenleiter auf Board-Level zu integrieren. Allen Konzepten ist gemeinsam, dass der zu integrierende Wellenleiter aus mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes besteht. Diese bilden den Wellenleiterkern (Core) und den Wellenleitermantel (Cladding), wobei sich die Brechzahlen der beiden Materialien unterscheiden müssen. Darüber hinaus werden zumeist auch noch zusätzliche Planarisierungsmaterialien und Dielektrika benötigt, wodurch die Anzahl an Materialien zur Herstellung von optischen Interconnects mindestens bis zu vier betragen kann. Bei Verwendung von ORMOCER®en für diese Applikation werden jedoch insgesamt nur zwei Materialien benötigt, da sie neben sehr guten optischen Eigenschaften im Daten- und Telekommunikationswellenlängenbereich (850, 1310 und 1550 nm) anpassbare dielektrische und auch exzellente Planarisierungseigenschaften besitzen. Optische Wellenleiter zur Datenübertragung werden nach aktuellem Stand der Technik u. a. mit konventioneller UV-Lithographie hergestellt. Dies erfordert z. T. bis zu 20 energie- und materialintensiver Prozessschritte. Demgegenüber steht die vergleichsweise einfache Herstellung optischer Wellenleiter aus ORMOCER® auf Board-Ebene durch ein echtes 3D-Strukturierungsverfahren mittels Femtosekundenlasern unter Ausnutzung der Zwei-Photonen-Absorption (TPA). Dabei wird das Laserlicht in das zu strukturierende Material fokussiert, wobei der Fokus computergesteuert in alle Raumrichtungen bewegt werden kann. Nur im Bereich des Fokus ist die Intensität hoch genug, um eine Zwei-Photonen-Absorption zu initiieren, wodurch das ORMOCER® dann photochemisch organisch vernetzt wird (Zwei-Photonen-Polymerisation oder 2PP). Dadurch lassen sich z. B. Multimode-Wellenleiter auf mit optoelektronischen Bauelementen vorkonfektionierte Boards schreiben. Dazu sind lediglich drei Prozessschritte notwendig, wobei der letzte Prozessschritt schon ein notwendiger und etablierter Prozessschritt in der Leiterplattenproduktion ist.

Kostengünstige und einfache Produktion von optischem Packaging

Es wurde bereits demonstriert, dass sich optische Interconnects in nur einem einzigen ORMOCER®-System auf Board-Ebene realisieren lassen, deren Datenrate abhängig von den eingesetzten optoelektronischen Elementen bei bis zu 7 Gbit/s mit einem BER (bit error ratio) von ca. 10-9 betrug. Die in den Arbeiten von Ruth Houbertz verwendete Methode der Zwei-Photonen-Absorption zur Wellenleiter-Herstellung ist im Gegensatz dazu wesentlich effizienter. Dazu entwickelte Frau Houbertz am Fraunhofer ISC die Technologie zur kostengünstigen und einfachen Produktion von optischem Packaging. Dabei stehen die Nachhaltigkeit (Green IT-Manufacturing) durch ressourcenschonende Prozesse, umweltfreundliche Materialien und insbesondere die Energieeinsparung bei der Herstellung und beim Betrieb im Vordergrund. Bei der Zwei-Photonen-Absorption wird z. B. in nur einem Material (ORMOCER®) mittels fokussierter Femtosekunden-Laserpulse ein Brechzahlhub und somit ein Wellenleiter auf ein Substrat erzeugt. Hierfür wurde Ruth Houbertz bereits vor einigen Jahren mit dem Joseph von Fraunhofer-Preis ausgezeichnet. Dadurch können die Prozesse zur Herstellung optischer Verbindungen zwischen beliebig angeordneten (opto-)elektronischen Bauteilen auf drei bis fünf Prozessschritte reduziert werden.

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