Design und Simulation

Bisher ist keine Design-Software für die Konstruktion räumlich angeordneter, optomechatronischer Baugruppen vorhanden. Jedoch wurde am Lehrstuhl FAPS bereits das Konstruktionstool MIDCAD für räumliche elektronische Baugruppen (3D-MID) implementiert, das als Basis für das Design optomechatronischer Baugruppen dienen wird. Die Integration optoelektronischer Komponenten in MIDCAD stellt eine enorme Herausforderung dar, da neben den Unterschieden in den Konstruktionsverfahren für elektrische und optische Signalleitungen vor allem zusätzlich zu den bereits berücksichtigten mechanischen und elektrischen/ elektronischen Wirkmechanismen auch optische Funktionen modelliert werden müssen.

Auch die optische Modellierung zeitabhängiger Phänomene in stark multimodigen Lichtwellenleitern, wie sie bei optomechatronischen 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 Beam Propagationsmethoden (BPM) nicht mehr effizient anwendbar.

Windows-Benutzeroberfläche des Programms RAYTRACE. Links oben: ray tracing Schema, rechts oben: Wellenaberrationen für einen stark außeraxialen Objektpunkt, links unten: zugehöriges Spotdiagramm des Bildpunktes, rechts unten: zugehörige Punktbildfunktion (PSF) unter Einbeziehung von Beugung an der Aperturblende.

Andererseits erlaubt die hohe Modenzahl eine geometrisch optische Modellierung der Lichtausbreitung mit Hilfe von Strahl-verfolgungstechniken (ray tracing). Bedingt durch Rauigkeiten bei der Herstellung der optischen Elemente müssen aber auch die Streuung an Oberflächen 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.

Die Verbindung zwischen MIDCAD und optischen Simulationssystemen wie RAYTRACE ist 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, Oberflächen-informationen, Übergangs-dämpfungen, Materialdaten etc.) zu übertragen, um einen bidirektionalen Austausch von Informationen zwischen den Tools zu ermöglichen.

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. Dazu sollen sogenannte Manufacturing Rules aufgestellt und direkt in MIDCAD implementiert werden. Mit Hilfe dieser Richtlinien soll während des Konstruktionsprozesses automatisch und kontinuierlich die Herstellbarkeit des optomechatronischen Layouts überwacht und dabei der Konstrukteur auf Fertigungsprobleme ggf. sofort hingewiesen werden.

Konzeptdarstellung zur Datenübertragung zwischen MIDCAD und RAYTRACE

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