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Simulation, Analysis, and Fabrication of Miniaturized Components with Applications in Optical Interconnects and Parallel Microscopy

Wohlfeld, Denis

German Title: Simulation, Analyse und Herstellung von Miniaturisierten Komponenten mit Anwendungen in der Optischen Verbindungstechnik und Parallelen Mikroskopie

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Abstract

Optics and miniaturization of components are both key technologies supporting the progress in many multidisciplinary areas and enabling products with more functionality at reduced size and costs. Two applications of microscoptic integrations in the field of optical communications and parallel microscopy are investigated. This thesis also deals with light propagation in geometrical optics and scalar wave optics, both in homogeneous and inhomogeneous media. The fabrication and optimization of integrated fiber couplers with applications in active optical cables are the first focus of the thesis. A new concept for compact fiber coupling with a pitch distance of 250 µm and an integrated 45° mirror is introduced and all steps from fabrication over replication to coupling efficiency measurements are described. For the fabrication of miniaturized components a new method using UV deep lithography in SU-8 with multidirectional exposure for structure angles above 45° is developed. Replication technologies like direct UV replication and soft lithography using PDMS are also analyzed with respect to large-scale production of highly integrated structures. Miniaturization is also investigated in parallel microscopy to speed up high content screens in life science. The concept of parallel microscopy is analyzed and a compact GRIN-rod lens system is developed with the capability of scanning microwell arrays with 10k spots in one scan.

Translation of abstract (German)

Optik und Miniaturisierung sind zwei Schlüsseltechnologien mit vielfältigen Anwendungsfeldern, denn sie ermöglichen Produkte mit höherer Funktionalität bei gleichzeitiger Reduktion der Größe sowie der Kosten. In dieser Arbeit werden zwei Anwendungsmöglichkeiten für Mikrooptik in den Bereichen optischer Übertragungstechnik und paralleler Mikroskopie untersucht. Weiterhin werden verschiedene optische Simulationsmethoden aus den Bereichen Strahlenoptik und skalarer Wellenoptik in homogenen und inhomogenen Medien analysiert und weiterentwickelt. Die Herstellung und Optimierung von miniaturisierten und hochkompakten Faserkopplern, die unter anderem für "Active Optical Cables" geeignet sind, bilden den ersten Schwerpunkt der Arbeit. Dabei wird besonders auf die Herstellung mittels UV Tiefenlithographie in SU-8 sowie mögliche Replikationstechniken eingegangen. Durch die Verwendung von mehreren Belichtungungen unter unterschiedlichen Einstrahlwinkeln wird die lithographische Herstellung von hochpräsizen Strukuren mit einer Höhe von mehreren hundert Mikrometern und schrägen Flächen ermöglicht, die zudem auf einfache Weise replizierbar sind. Im letzten Teil werden die Vorteile der Mikrooptik im Bereich paralleler Mikroskopie untersucht, sowie das neue Konzept eines parallelen Mikroskops auf der Basis von GRIN-Stablinsen vorgestellt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Brenner, Prof. Dr. Karl-Heinz
Date of thesis defense: 16. December 2009
Date Deposited: 12. Jan 2010 14:59
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Photolithographie, Integrierte Optik, Konfokale Mikroskopie, Computersimulation
Uncontrolled Keywords: Aktive optische Kabel , Parallele Mikroskopie , Mikrooptik , Optische Verbindungstechnik, SU-8Active Optical Cable , Parallel Microscopy , Microoptics , Optical Interconnects , SU-8
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