Design und Simulation

Um ein vollständiges Abbild der gesamten Prozesskette des Herstellungsverfahrens von gedruckten Polymer-Optischen Wellenleitern (POW) zu erhalten ist es notwendig, ein virtuelles Abbild dieser zu erstellen, um schon im Designprozess der Wellenleiter und Koppelstellen auf opto-mechatronischen Baugruppen Aussagen über die optischen Eigenschaften treffen zu können. Mit der durch die Forschergruppe entwickelten Designstrategie können sowohl die geometrischen als auch optischen Parameter bestimmt und direkt danach an die Fertigungsanlagen überführt werden. Dabei ist die rechnergestützte Modellierung und Simulation von zentraler Rolle (Abbildung 1).

Abbildung 1 - Bedienoberfläche des OPTAVER CAD-Werkzeugs

Durch die Erweiterung von CAD-basierten Design-Software zur geometrischen Beschreibung durch Konstruktions-Tool kann eine Modellierung von räumlich angeordneten, opto-mechatronischen Baugruppen erfolgen (Lehrstuhl FAPS). Die Herausforderung besteht dabei, da neben den Unterschieden in den Konstruktionsverfahren für elektrische und optische Signalleitungen vor allem optische Funktionen modelliert werden müssen. Für die optische Simulation wurde hierfür eine Schnittstelle geschaffen, damit neben der geometrischen Modellierung auch eine optische Simulation der designten Lichtwellenleiter (LWL) als auch der Koppelstrukturen erfolgen kann (Abbildung 2).

Abbildung 2 - Zusammenhang zwischen Simulationsverfahren und Design

Die optische Modellierung zeitabhängiger Phänomene in stark multimodigen Lichtwellenleitern, wie sie bei opto-mechatronischen Systemen typischerweise eingesetzt wird, erfordert eine spezielle Vorgehensweise. Aufgrund der hohen Modenzahl von zum Beispiel gedruckten Lichtwellenleitern mit mehr als 100 μm Breite und mehr als 10 μm Höhe sind optische Standard-Verfahren zur Modellierung von Lichtwellenleitern wie die „Beam Propagation Method“ (BPM) nicht mehr effizient anwendbar. Daher erlaubt die hohe Modenzahl eine geometrisch optische Modellierung der Lichtausbreitung mit Hilfe von Strahlverfolgungstechniken, sogenanntes Raytracing (Lehrstuhl IOIP, Arbeitsgruppe ODEM). Bedingt durch Rauheiten bei der Herstellung der optischen Elemente muss die Streuung an Oberflächen (Streuung an der Grenzfläche zwischen Kern- und Mantelmaterial) und dadurch bedingte Störeffekte wie unerwünschtes Einkoppeln in benachbarte Kanäle, Abschwächung des Signals, etc. untersucht werden. Die Signalübertragung mit hohen Datenraten bedingt die Simulation zeitabhängiger Phänomene, so dass z. B. Dispersion aufgrund der unterschiedlichen optischen Wege der einzelnen Moden eine Rolle spielt. Abbildung 3 zeigt eine Raytracing-Simulation eines geraden POW mit Dämpfungen von 0 dB/cm bis 5 dB/cm, abhängig von der Rauheit der Oberfläche zwischen Kern- und Mantelmaterial. Die Oberflächenrauheiten betragen zwischen 0,001 μm und 0,1 μm RMS und ziwschen 0,1 μm und 4 μm bei den Korrelationslängen der Oberfläche.

Abbildung 3 - zx-, zy- und xy-Schnitt des simulierten Wellenleiters bei einer Eingangs-NA von 0,1, einer Breite des Wellenleiters von 300 µm (oberer Schnitt) und einer Höhe von 45 µm (unterer Schnitt)

Die Verbindung zwischen der geometrischen Modellierung und dem optischen Simulationssystem wie hier RAYTRACE ist dabei notwendig, um einen ausreichenden und zeitlich definierten Durchgang optischer Leistung zur Signalübertragung zu gewährleisten. Hierbei sind die unterschiedlichen datentechnischen Repräsentationen der Geometrie zu überbrücken, die logische Schaltungstopologie sowie ggf. weitere technologische Zusatzinformationen (wie z. B. Toleranzbereiche, Oberflächeninformationen, Übergangsdämpfungen, Materialdaten, etc.) zu übertragen, um einen bidirektionalen Austausch von Informationen zwischen den Tools zu ermöglichen (Abbildung 4).

Abbildung 4 - Exemplarisches Produktmodell zur Beschreibung der polymeren Lichtwellenleiter

Des Weiteren sollen die Herstellungs- und Montageverfahren für Lichtwellenleiter und Kopplungsstellen, an Hand geeigneter Prozessparameter und ihrer Verfahrensgrenzen beschrieben und in die konstruktive Betrachtung miteinbezogen werden. Da die CAD-Daten als Grundlage für die spätere Prozessregelung dienen, ist ein fertigungsgerechtes Design unabdingbar. Durch die Erweiterung der Simulation um wellenoptische Simulationsmethoden, die zeitkritischer sind, können Kenngrößen dreidimensionaler Koppelgeometrien unter Berücksichtigung der gedruckten Wellenleiter geschaffen werden, um auch diese in das ganzheitliche Abbild der Prozesskette zu integrieren.

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