Automatiseret justering af optiske fibre reducerer fejl og omkostninger ved produktion af fotoniske chip

Fotoniske chips kan spille en afgørende rolle i applikationer som autonom kørsel eller medicinsk billedbehandling på grund af deres kapacitet til ekstremt hurtig og energieffektiv datatransmission. Imidlertid, deres vedtagelse er i øjeblikket holdt tilbage af de betydelige omkostninger forbundet med produktionen af ​​disse enheder. Ph.d. kandidat Matthijs van Gastel har udviklet nye måder at samle fotoniske enheder ved hjælp af lim, som er nøjagtig på sub-mikrometer skalaen. Forskeren ved Styresystemteknologigruppen i Institut for Maskinteknik forsvarede sit speciale den 25. marts.

I nutidens samfund, behovet for datatransmission vokser eksponentielt. Fotoniske chips viser et stort potentiale for energieffektiv datatransmission med høj båndbredde. Disse chips er afhængige af informationsoverførsel baseret på lys i modsætning til elektroner i de konventionelle elektriske chips.

Fotoniske chips muliggør mange nye applikationer såsom sensorer til selvkørende biler eller nye medicinske billedbehandlingsteknikker. Et stadig vigtigere spørgsmål for at muliggøre anvendelse i stor skala af fotoniske chips er deres samling og pakning. Disse processer anslås i øjeblikket at udgøre mere end 50 procent af de samlede omkostninger ved en fotonisk enhed.

Især koblingen af ​​optiske fibre, som bruges til at lede lys ind og ud af den fotoniske enhed, er kritisk, da de kræver justering af sub-mikrometer. Nuværende fiberjusteringsmetoder kan enten ikke klare disse tilpasningskrav eller er ikke egnede til produktion i stor skala. Desuden, nuværende metoder er ofte arbejdskrævende og tidskrævende.

Optisk fiber array

I sit speciale beskriver Van Gastel udviklingen af ​​et nyt optisk fiberarray til effektiv kobling af flere fibre til fotoniske chips, der er nøjagtige i en sub-mikrometer skala.

Den første del af afhandlingen fokuserer på udviklingen af ​​det nye optiske fiberarray. I dette array er flere optiske fibre placeret ved siden af ​​hinanden og fikseret til en glasplade ved hjælp af lim. Nuværende fiberarrays kæmper for at nå den sub-mikrometer nøjagtige justering for fotoniske chips, da de ikke er i stand til at kompensere for variationen i produktionskvalitet (såkaldte produktionstolerancer) af optiske fibre. I det nye fiberarray måles fiberens position ved hjælp af et kamerasystem for at kompensere for disse produktionstolerancer.

Limen kan derefter hærdes for at fiksere fiberen til glaspladen. Lim er tilbøjelig til at krympe, hvilket kan forstyrre fiberjusteringen. Det har også en tendens til langsomt at ændre form med årene, som kan forstyrre fiberopretningen. Forskeren udførte simuleringer og eksperimenter for at undersøge egnetheden af ​​limfikseringsprocessen til fiberjustering. Resultaterne viste en meget forudsigelig opførsel af limprocessen, hvilket gør den velegnet til optisk fiberjustering.

Design af fiber array montage maskine

Anden del af afhandlingen fokuserede på design af en samlemaskine til det nyudviklede optiske fiberarray. For det, forskeren brugte automatisering, dermed sikres en høj nøjagtighed fiberjustering samtidig med at omkostningerne reduceres og kapaciteten øges.

Maskindesignet består af tre translationelle bevægelsesakser for at justere fibrene på underlaget i de mest kritiske justeringsretninger. De designet højpræcisions bevægelsesakser er i stand til at justere fibrene med nanometer nøjagtighed. På grund af dets kompakte og modulære design, opretningsmaskinen kan nemt udvides til større produktionslinjer.

Fra design til maskine

Under denne ph.d. forskning Van Gastel byggede og testede også en hardwarerealisering af maskindesignet. Maskinen er i stand til at samle et 16-fiber-array inden for fire minutter, betydeligt hurtigere end traditionelle fiberjusteringsmetoder, hvilket kan tage mellem to minutter til en time pr. enkelt fiber.

Desuden, de samlede arrays viste en cirka ret til 18 gange mindre alignment fejl sammenlignet med de aktuelt anvendte fiber arrays.

Denne forskning kan derfor være et vigtigt skridt for at muliggøre storstilet tilpasning af fotoniske chips ved at tilvejebringe en hurtigere, mere nøjagtig og mere omkostningseffektiv samlingsproces af optiske fibre.